DE102008026135A1 - Steuerung für tiefe Temperaturen in einem Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Der Betrieb komplexer integrierter Schaltungen bei tiefen Temperaturen kann verbessert werden, indem aktive Heizelemente in der integrierten Schaltung vorgesehen werden, um damit die Temperatur zumindest kritischer Schaltungsbereiche während entsprechender Betriebsphasen anzuheben, beispielsweise beim Einschalten. Folglich kann ein verbessertes Betriebsverhalten bei tiefer Temperatur auf der Grundlage bestehender Prozesselemente erreicht werden, um damit für erhöhte Entwurfsstabilität zu sorgen, ohne dass teuere Schaltungssimulationen oder eine Umgestaltung gut etablierter Schaltungsarchitekturen erforderlich sind.

Description

  • Gebiet der vorliegenden Offenbarung
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung integrierte Schaltungen und betrifft insbesondere verbesserte Temperatursteuertechniken in Halbleiterbauelementen.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Die Herstellung integrierter Schaltungen erfordert das Bilden einer großen Anzahl von Schaltungselementen, etwa Transistoren und dergleichen, auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einer spezifizierten Schaltungsanordnung. Im Allgemeinen werden aktuell mehrere Prozesstechnologien eingesetzt, etwa die CMOS-Technologie für komplexe Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, Speicherchips, ASIC's (anwendungsspezifische IC's) und dergleichen, Bipolartechniken, eine Mischung dieser Techniken und dergleichen, wobei auf Grund der jüngsten Fortschritte auch komplexe Systeme auf einem einzelnen Chip, der auf komplexe analoge Schaltungsbereiche aufweisen kann. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung einer geeigneten Technologie, werden typischerweise Millionen Transistoren, etwa n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren in der CMOS-Technologie, bipolare Transistoren, Diodenstrukturen und dergleichen auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein Transistor enthält, unabhängig davon, ob ein Feldeffekttransistor oder ein Bipolartransistor betrachtet wird, sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche stark dotierter Gebiete, etwa von Drain- und Sourcegebieten, mit einem invers oder schwach dotierten Gebiet, etwa einem Kanalgebiet, das zwischen den stark dotierten Gebieten angeordnet ist, gebildet werden. Die Gesamtleitfähigkeit der Transistoren, d. h. der Durchlassstrom, wird durch eine Gateelektrode oder durch einen Basisanschluss gesteuert, indem eine geeignete Steuerspannung oder ein Steuerstrom angelegt werden. Da die kritischen leitenden Pfade innerhalb der Transistoren in Form dotierter Halbleitergebiete vorgesehen sind, hängt das Gesamtverhalten der einzelnen Transistorelemente stark von der Temperatur des Halbleitermaterials ab, wobei typischerweise in Bipolartransistoren die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur ansteigt, während in MOS-Transistoren eine umgekehrte Abhängigkeit zwischen dem Durchlassstrom und der Temperatur typischerweise beobachtet wird. Obwohl die Temperaturstabilität von Schaltungsbereichen deutlich verbessert wird, indem die grundle gende Schaltungsfunktion in geeigneter Weise gestaltet wird und indem anspruchsvolle Schaltungskonzepte angewendet werden, kann dennoch eine anspruchsvolle Temperatursteuerung erforderlich sein.
  • Beispielsweise führte die zunehmende Packungsdichte integrierter Schaltungen, die sich aus den reduzierten Bauteilabmessungen ergibt, zu der Integration von immer mehr Funktionen in einen einzelnen Halbleiterchip. Die geringere Strukturgrößen können auch mit kürzeren Schaltgeschwindigkeiten der einzelnen Transistoren einhergehen, wodurch zu einer erhöhten Leistungsaufnahme in MOS-Schaltungen beigetragen wird, da die kürzeren Schaltgeschwindigkeiten den Betrieb der Transistoren bei höheren Schaltfrequenzen ermöglichen, was wiederum zu einem Anstieg der Leistungsaufnahme des gesamten Bauelements führt. In anspruchsvollen Anwendungen unter Anwendung dicht gepackter integrierter Schaltungen kann die Wärmeerzeugung äußerst hohe Werte auf Grund der dynamischen Verluste erreichen, die durch die hohe Arbeitsgeschwindigkeit hervorgerufen werden, in Verbindung mit einer deutlichen statischen Leistungsaufnahme von Transistorbauelementen mit geringeren Abmessungen auf Grund der erhöhten Leckströme, die sich durch extrem dünne Gatedielektrika, Kurzkanaleffekte und dergleichen ergeben. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die Gesamtleistungsaufnahme zu verringern, indem die Verwendung von sehr schnellen Transistoren, die typischerweise eine größere Wärmemenge erzeugen, auf geschwindigkeitskritische Signalwege in dem Schaltungsaufbau beschränkt wird, während weniger kritische Bauelemente in anderen Schaltungsbereichen verwendet werden. Des weiteren können geeignete Mechanismen eingerichtet werden, um gewisse Schaltungsbereiche „nach Bedarf” zu betreiben und lokal oder globale Betriebsbedingungen in Abhängigkeit von der thermischen Situation auf dem Halbleiterchip zu steuern. Da externe Wärmesteuerungssysteme nicht in zuverlässiger Weise die chipinteme Temperaturverteilung auf Grund der verzögerten thermischen Reaktion des Gehäuses des Halbleiterbauelements und auf Grund einer möglicherweise nicht ausreichenden räumlichen Temperaturauflösung bewerten können, müssen entsprechend externe Konzepte so gestaltet sein, dass diese Beschränkungen berücksichtigt werden und es müssen ausreichende Betriebstoleranzen im Hinblick auf die Wärmesteuerung oder im Hinblick auf die Gefahr einer Überhitzung und möglicherweise einer Zerstörung spezieller kritischer Schaltungsbereiche vorgesehen werden.
  • Hersteller von Halbleiterprodukten bevorzugen daher zunehmend genaue interne Temperaturmessungen, die im Wesentlichen nicht von externen Bauteilbedingungen und speziellen thermischen Bauteilkomponenten abhängigen, die einer externen Manipulation unterliegen können, wobei auch die träge thermische Antwort über das Bauteilgehäuse vermieden wird. Zu diesem Zweck werden anspruchsvolle Wärmeüberwachungssysteme typischerweise in dem Gesamtaufbau der integrierten Schaltung integriert, wodurch eine bauteilinterne Wärmesteuerung unabhängig von den externen Bedingungen möglich ist. Somit werden chipinterne Temperaturmessungen typischerweise in komplexen Bauelementen, etwa in CPU's, ASIC's, und dergleichen ausgeführt, um bauteilinterne Daten für die Steuerung der Gesamtfunktion durch Verringern der Arbeitsfrequenz, das Abschalten entsprechender Schaltungsbereiche, und dergleichen zu steuern.
  • Folglich werden große Anstrengungen im Hinblick auf die Verbesserung der Temperatursteuerung in integrierten Schaltungen für vorgegebene Wärmeabfuhrkapazität des integrierten Schaltungschips und seiner Umgebung gemacht, ohne im Wesentlichen Abstriche am Leistungsverhalten der integrierten Schaltung zu machen. Andererseits ermöglicht die zunehmende Miniaturisierung moderner integrierter Schaltungen und die entsprechende Zunahme im Leistungsvermögen und der Funktionsvielfalt, die damit verknüpft ist, die Verwendung integrierter Schaltungen in einem weiten Bereich von Anwendungen, die früher nicht zugänglich waren. Beispielsweise sind komplexe eingebettete Systeme Kleinleistungsanwendungen in mobilen Geräten und dergleichen rasch wachsende Gebiete, in denen anspruchsvolle integrierte Schaltungen aktuell und in der Zukunft zunehmend eingesetzt werden. Auf Grund der großen Bandbreite möglicher Anwendungen dieser Bauelemente werden auch sehr unterschiedliche Umgebungsbedingungen während des Betriebs der Bauelemente angetroffen, etwa als mobile Computer, mobile Kommunikationssysteme mit einem hohen Maß an Komplexität und dergleichen. Folglich sind viele integrierte Schaltungen oder zumindest wesentliche Teile davon, die im Hinblick auf gut definierte Umgebungsbedingungen und insbesondere im Hinblick auf gut definierte Temperaturbereiche entwickelt wurden, in ihrer Anwendung nicht auf anspruchsvollere Umgebungsbedingungen ohne deutliche Umgestaltungen „portierbar”, was daher zu zunehmenden Kosten auf Grund der intensiven Schaltungssimulationen und der sich daraus ergebenden Neukonfiguration gut etablierter Schaltungsbereiche führt. Typischerweise sind die Halbleiterhersteller überwiegend mit der Problematik der hohen Umgebungstemperaturen befasst, die durch die Selbsterwärmung der integrierten Schaltung selbst, möglicherweise in Verbindung mit ex tern zugeführter Wärme, hervorgerufen werden, wobei typische chipinterne Temperaturfühlerschaltungen vorgesehen sind, wie dies zuvor angegeben ist, in Verbindung mit passiven Kühlsystemen innerhalb eines Chips und im Gehäuse der integrierten Schaltung, die dann durch aktive Kühlsysteme unterstützt werden, die peripher zur integrierten Schaltung vorgesehen sind. Jedoch wurde wenig Aufmerksamkeit dem Funktionsverhalten komplexer Schaltungen bei tiefen Temperaturen gewidmet, die zunehmend angetroffen werden, wenn die Anzahl der tragbaren Geräte, etwa von tragbaren Computern und eingebetteten Systemen, ansteigt. Folglich wird eine zunehmende Anzahl an mobilen Systemen oder anderen Systemen potenziell in kalten Umgebungen eingesetzt, die an sich kein Problem darstellen würden, wenn einzelne Schaltungselemente betrachtet werden, die jedoch in komplexen Systemen mit einer CPU, möglicherweise in Verbindung mit analoger Schaltung, etwa von Phasenregelschleifeneinheiten (PLL), Verzögerungsregelschleifen (DLL) oder Resonanzkomponenten (LCR) zu einer Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens führen. Beispielsweise kann ein tragbarer Computer über Nacht bei tiefen Temperaturen in einem Auto untergebracht sein und wird dann eingeschaltet, bevor das System einen Temperaturbereich erreicht, für die die grundlegenden Schaltungsbereiche des mobilen Computers gestaltet sind. In anderen Fällen kann die Verwendung komplexer Systeme in kalten Klimazonen, etwa Alaska oder Sibirien zu Problemen hinsichtlich der Bauteilzuverlässigkeit und des Leistungsverhaltens führen, da, obwohl einzelne Komponenten des Systems Temperaturspezifikationen besitzen, die die angetroffenen Umgebungsbedingungen abdecken, das System als Ganzes nicht notwendigerweise in korrekter Weise funktioniert, beispielsweise auf Grund geringer Prozessschwankungen während der Herstellung in einer gewissen Produktionslinie. Das Erhöhen des Temperaturbereichs für einen zuverlässigen Betrieb komplexer Systeme erfordert jedoch einen merklichen Aufwand beim Umgestalten von Schaltungsbereichen, etwa von Taktbäumen und dergleichen, die daher moderat lange Entwicklungszeiten auf Grund der aufwendigen Schaltungssimulationen erfordern, wodurch zu erheblichen Produktionskosten beigetragen wird.
  • Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Halbleiterbauelemente und Verfahren zur Verbesserung des Leistungsverhaltens integrierter Schaltungen bei tiefen Temperaturen, wobei ein oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest verringert werden.
  • Überblick über die Offenbarung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein integrierte Schaltungen und Verfahren, in denen zusätzlich zur Berücksichtigung von Problemen, die mit dem Betrieb bei hoher Temperatur verknüpft sind, auch der Betrieb bei tiefen Temperaturen berücksichtigt wird, so dass ein zuverlässiger Betrieb komplexer integrierter Schaltungen, etwa CPU's und dergleichen, auch auf tiefere Temperaturen im Hinblick auf die Temperaturspezifizierung ausgedehnt werden kann, ohne dass signifikante Umgestaltungen und extensive Schaltungssimulationen erforderlich sind. Es wurde erkannt, dass typischerweise in komplexen integrierten Schaltungen Probleme im Hinblick auf tiefe Temperaturen typischerweise mit analogen Schaltungen, etwa PLL, DLL oder RCL verknüpft sind, die ein Grund für eine nicht korrekte Funktionsweise der integrierten Schaltung sein können, beispielsweise lauf die Geräte nicht korrekt an, können nicht auf das Taktsignal einrasten und dergleichen. In anderen Fällen kann die Stabilität statischer RAM-Zellen beim Betrieb bei tiefen Temperaturen verringert sein, was zu einem Datenverlust oder selbst zu einem nicht zuverlässigen Betriebsverhalten des gesamten Systems führen kann. Da diese mit tiefen Temperaturen verknüpften Probleme typischerweise verschwinden, sobald die Temperatur der integrierten Schaltung eine kritische Temperatur auf Grund der internen Wärmeerzeugung erreicht hat, stellt die vorliegende Offenbarung Techniken bereit, in denen geringfügige Modifizierungen der integrierten Schaltungen verwendet werden, beispielsweise indem Heizelemente in kritischen Bauteilbereichen bereitgestellt werden, um zeitweilig die Temperatur zu erhöhen, wodurch die „Umgebungsbedingungen” der kritischen Schaltungsbereiche in einen „normalen” Betriebsbereich verschoben werden. Durch Erkennen kritischer Schaltungsbereiche im Hinblick auf das Verhalten bei tiefen Temperaturen können somit gut etablierte Techniken und Schaltungselemente in bestehende gut bewährte Schaltungsanordnungen eingerichtet werden, ohne dass signifikante Modifizierungen und Schaltungssimulationen erforderlich sind, so dass der verfügbare Temperaturbereich deutlich am unteren Ende erwartet werden kann, ohne dass im Wesentlichen die Gesamtproduktionskosten ansteigen, da beispielsweise aktive Heizelemente, etwa Widerstandsstrukturen, Thermoelemente und dergleichen, effizient ohne zusätzliche Prozesskomplexität eingebaut werden können.
  • Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst mehrere Schaltungselemente, die einen funktionellen Schaltungsbereich repräsentieren, der in einem Chipgebiet ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner mindestens ein Heizelement, das in dem Chipgebiet ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Heizelement funktions mäßig unabhängig von dem funktionellen Schaltungsbereich vorgesehen ist aber thermisch mit diesem gekoppelt ist. Schließlich umfasst das Halbleiterbauelement einen Steuermechanismus, der ausgebildet ist, das mindestens eine Heizelement zumindest dann zu aktivieren, wenn eine Temperatur des funktionellen Schaltungsbereichs unter einen spezifizierten Schwellwert liegt.
  • Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst einen temperaturempfindlichen Schaltungsbereich, der mehrere Schaltungselemente aufweist, die in und über einer Halbleiterschicht gebildet sind. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement einen zweiten Schaltungsbereich, der zumindest in und über der Halbleiterschicht ausgebildet ist und in thermischer Verbindung mit dem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich angeordnet ist. Der zweite Schaltungsbereich ist ausgebildet, unabhängig von dem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich zumindest dann aktiviert zu werden, wenn eine repräsentative aktuelle Temperatur unter einem spezifizierten Schwellwert liegt.
  • Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bestimmen einer repräsentativen Temperatur mindestens eines Schaltungsbereichs einer integrierten Schaltung. Das Verfahren umfasst ferner das Zuführen von Wärme zu dem mindestens einen Schaltungsbereich, wenn die bestimmte repräsentative Temperatur unter einem spezifizierten Schwellwert liegt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
  • 1a schematisch eine Draufsicht eines Chipgebiets einer integrierten Schaltung mit einem Schaltungsbereich zeigt, der im Hinblick auf tiefe Temperaturen ist und in thermischen Kontakten mit einem Mechanismus ist, um den sensitiven Schaltungsbereich gemäß anschaulicher Ausführungsformen aktiv zu heizen;
  • 1b schematisch eine Draufsicht einer temperaturempfindlichen Schaltung und einer unempfindlichen Schaltung auf Transistorebene zeigt, wobei der temperaturempfindliche Schaltungsbereich in thermischen Kontakt mit einer Widerstandshalbleiterstruktur gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen ist;
  • 1c und 1d schematisch Querschnittsansichten eines temperaturempfindlichen Schaltungsbereichs zeigen, der von oberhalb (1c) oder unterhalb (1d) einer aktiven Halbleiterschicht gemäß anschaulicher Ausführungsformen aktiv geheizt werden kann;
  • 1e und 1f schematisch eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Heizelements zeigen, das in einer sehr lokalisierten Weise innerhalb eines Isolationsgrabens gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen vorgesehen ist;
  • 1g schematisch einen Bereich einer integrierten Schaltung zeigt, der thermisch mit einem Heizelement gekoppelt ist, das von der Rückseite eines Substrats aus gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen vorgesehen ist;
  • 1h schematisch eine Draufsicht einer integrierten Schaltung zeigt, die mehrere temperaturempfindliche Schaltungsbereiche aufweist, die in thermisch Kontakt mit mehreren Widerstandsstrukturen gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen stehen;
  • 1i schematisch eine Querschnittsansicht eines Bereichs einer integrierten Schaltung zeigt, in der ein geringer thermischer Widerstand in einer Kontaktebene der integrierten Schaltung eingerichtet wird, um damit einen temperaturempfindlichen Schaltungsbereich mit einem entfernt liegenden aktiven Heizelement gemäß anschaulicher Ausführungsformen thermisch zu koppeln;
  • 1j schematisch eine Draufsicht einer integrierten Schaltung zeigt, die ein Thermoelement für die Wärmeübertragung zwischen einem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich und einem entfernt liegenden Wärmereservoir gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen enthält;
  • 1k und 1l schematisch Draufsichten einer integrierten Schaltung zeigen, die einen für tiefe Temperaturen empfindlichen Schaltungsbereich, einen Schaltungsbereich, der Überschusswärme während des nominalen Betriebs erzeugt, enthält, die somit zum Anheben der Temperatur des für tiefe Temperaturen empfindlichen Schaltungsbereichs während einer Betriebsphase der kalten Temperatur gemäß anschaulicher Ausführungsformen verwendet werden kann; und
  • 2 schematisch ein Flussdiagramm eines Betriebsmodus zum Erweitern des zuverlässigen Betriebs einer integrierten Schaltung auf tiefe Temperaturen gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Obwohl der vorliegende Gegenstand mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Halbleiterbauelemente und Verfahren zum Betreiben dieser Elemente, wobei ein zuverlässiger Betrieb der integrierten Schaltungen selbst wenn diese mit komplexen Systemen kombiniert sind, auf den Bereich tiefer Temperaturen erweitert wird, indem kritische Schaltungsbereiche aktiv beheizt wird, wenn deren repräsentative Temperatur unter einem spezifizierten Schwellwert liegt. Zu diesem Zweck können chipinterne Heizelemente so vorgesehen werden, dass diese in thermischen Kontakt mit den kritischen Schaltungsbereichen sind, und/oder andere Schaltungsbereiche, die bei tiefer Temperatur betrieben werden können und die während des Betriebs eine große Menge an Wärme abgeben, können in thermischen Kontakt zu den für tiefe Temperaturen empfindlichen Schaltungsbereichen angeordnet werden, ohne dass eine grundlegende Umgestaltung der entsprechenden Schaltungsblöcke erforderlich ist. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten beinhaltet das Heizen ein sehr lokales Heizen, beispielsweise auf Transistorebene, um damit einen gewünschten Temperaturanstieg lokal zu erhalten, ohne dass größere Mengen an Energie erforderlich sind. Dies kann äußerst vorteilhaft sein im Hinblick auf Anwendungen, in denen die verfügbare Energiequelle in ihrer Kapazität begrenzt ist, etwa in portablen Geräten und dergleichen. In anderen Fällen wird eine mehr oder minder unspezifische Erwärmung des Chipgebiets durch chipinterne Heizelemente bewirkt, wenn die Energieeinsparungskriterien weniger wichtig sind. Das selektive Erwärmen oder die mehr oder weniger unspezifische Erwärmung kann angewendet werden, wenn zumindest ein kritischer Schaltungsbereich eine Temperatur unterhalb eines vordefinierten Schwellwerts aufweist, wobei das aktive Heizen über eine gewisse vordefinierte Zeitdauer beibehalten wird oder in einer temperaturabhängigen oder zeitabhängigen Weise in Abhängigkeit von der gesamten Prozessstrategie gesteuert wird. In anderen Fällen wird das aktive Heizen in speziellen Betriebsphasen angewendet, beispielsweise während der Hochlaufphase, unabhängig von der aktuell erkannten Chiptemperatur. Somit kann in diesem Falle angenommen werden, dass die Temperatur empfindlicher Schaltungsbereiche unterhalb einer spezifizierten Schwelle im Vergleich zu einer typischen Temperatur während einer standardmäßigen Betriebsphase des betrachteten Schaltungsbereichs liegt, wodurch der gesamte Steuerungsmechanismus zum aktiven Heizen lokaler Bereiche für das gesamte Chipgebiet vereinfacht wird. Beispielsweise kann ein entsprechendes Zeitintervall zum aktiven Heizen zumindest eines kritischen Schaltungsbereichs der integrierten Schaltung in die Initialisierungsphase, etwa das Anlaufen eines Mikroprozessors, integriert werden, wodurch ein zuverlässiger Betrieb des Bauelements im Wesentlichen unabhängig von den Umgebungsbedingungen ermöglicht wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird während der Initialisierung der integrierten Schaltung entschieden, ob eine aktuell erkannte repräsentative Temperatur unter oder über einem kritischen Schwellwert liegt. In diesem Falle kann eine aktive Heizung bei Temperaturen angewendet werden, bei denen ein zuverlässiger Betrieb kritischer Schaltungsbereiche, etwa von Taktbäumen der CPU, kritische analoge Schaltungen, etwa Phasenregelschleifen und dergleichen nicht garantiert ist. Folglich kann die Leistungsaufnahme für das aktive Heizen von chipinternen Heizelementen auf kritische Umgebungsbedingungen beschränkt werden.
  • Wie zuvor erläutert ist, können geeignete Heizelemente in die gesamte Schaltungskonfiguration auf der Grundlage gut etablierter Techniken effizient integriert werden, etwa der Einbau von Widerstandsstrukturen an geeigneten Stellen und Ebenen des betrachteten Halbleiterbauelements, ohne dass eine merkliche Umgestaltung der grundlegenden Schaltungsarchitektur erforderlich ist. Folglich sind die hierin offenbarten Prinzipien in hohem Maße kompatibel mit gut etablierten Schaltungskonfigurationen und Prozesstechniken, so dass ein erweiterter Bereich an Umgebungstemperaturen erschlossen wird, ohne dass im Wesentlichen zur Prozesskomplexität und den Produktionskosten beigetragen wird. Beispielsweise können bestehende Platzhalterstrukturen, etwa Polysiliziumleitungen, die zur Verbesserung der Lithographieprozesse und dergleichen vorgesehen sind, in effizienter Weise in aktive Heizelemente „umgewandelt” werden, um einen geeigneten Kontakt vorzusehen, um damit einen Stromfluss durch die Platzhalterstrukturen zu ermöglichen, so dass Wärme in sehr lokaler Weise erzeugt wird. In anderen Fällen kann die Schaltungssimulation ein kritisches Verhalten bei tiefen Temperaturen für einen gewissen Schaltungsbereich ergeben, wobei gemäß den hierin offenbarten Prinzipien eine grundlegende Neukonfiguration des betrachteten Schaltungsbereichs vermieden wird, indem beispielsweise entsprechende Heizelemente nahe an dem betrachteten Schaltungsbereich vorgesehen werden, und/oder indem in geeigneter Weise die thermische Leitfähigkeit, beispielsweise in der Kontaktebene des Bauelements, modifiziert wird, um damit eine bessere gewünschte thermische Verbindung zwischen einem speziellen Heizelement oder einem Schaltungsbereich, der zuverlässig bei tiefen Temperaturen betrieben werden kann, herzustellen, um damit die Abwärme zu nutzen, um den temperaturempfindlichen Schaltungsbereich auf eine „sichere” Betriebstemperatur zu bringen. In diesem Zusammenhang ist eine thermische Verbindung oder Kommunikation zwischen zwei Komponenten als die Fähigkeit zu verstehen, Wärme auszutauschen, wobei die beiden Komponenten in direktem physikalischen Kontakt stehen können oder der Wärmeaustausch kann über ein dazwischenliegendes Medium erfolgen, etwa Materialien, die mit beiden Komponenten in Kontakt sind. In anderen Fällen wird ein gewisses Maß an „Umgestaltung” eingesetzt, um in geeigneter Weise für kalte Temperaturen empfindlicher Schaltungsbereiche in der Nähe von nicht-empfindlichen Schaltungsbereichen anzuordnen, die betrieben werden können, um damit Wärme für die kritischen Schaltungsbereiche zu erzeugen, ohne dass eine grundlegende Umgestaltung der Schaltungsarchitekturen der betrachteten Schaltungsbereiche erforderlich ist. In noch anderen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten werden Thermoelemente innerhalb einer geeigneten Bauteilebene eingesetzt, etwa der Kontaktebene, um den Wärmeaustausch zwischen zwei Schaltungsbereichen zu bewirken, wodurch das Erzeugen von Wärme während einer niedrigen Temperaturphase möglich ist und bei Bedarf auch eine Wärmeabfuhr erreicht wird. Zu diesem Zweck können gut etablierte Materialien, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, auch zur Herstellung geeigneter Thermoelemente eingesetzt werden, wodurch ein hohes Maß an Kompatibilität mit bestehenden Technologien erreicht wird. Beispielsweise sind Kupfer, Konstantan (d. h. eine Kupfer-Nickel-Legierung), Platin, Rhodium, und dergleichen geeignete Materialien zur Herstellung von Thermoelementen, wobei viele dieser Materialien auch in anderen Fertigungsphasen moderner Halbleiterbauelemente verwendet werden, oder die zumindest mit den jeweiligen Prozessen kompatibel sind. Durch Vorsehen entsprechender Thermoelemente und/oder durch geeignete Strukturierung der thermischen Leitfähigkeit einer geeigneten Bauteilebene, etwa der Kontaktebene, einem Substratbereich, der unter der aktiven Halbleiterschicht angeordnet ist, einer Metallisierungsebene und dergleichen, kann ein Wärmeaustausch von entfernten Position aus bewirkt werden, wodurch eine verbesserte Flexibilität bei der Positionierung aktiver Heizelemente und/oder Schaltungsbereiche, die als eine Wärmequelle für bei tiefen Temperaturen empfindlichen Schaltungsbereichen verwendet werden können, geschaffen wird.
  • Es sollte beachtet werden, dass die hierin offenbarten Prinzipien auch vorteilhaft für komplexe integrierte Halbleiterbauelemente, etwa CPU's und dergleichen, eingesetzt werden können, da hier der komplexe Schaltungsaufbau keine merklichen Neugestaltungen im Hinblick auf den Betrieb bei tiefen Temperaturen zulässt, ohne dass zusätzliche Prozesskomplexität im Hinblick auf das Erstellen einer neuen Schaltungsgestaltung und einer Schaltungssimulation hervorgerufen wird, wodurch zu zusätzlichen Produktionskosten beigetragen würde. Die hierin offenbarten Prinzipien können jedoch auch vorteilhaft auf beliebige komplexe Halbleiterbauelemente, etwa komplexe Systeme auf einem einzelnen Chip, die analoge Schaltungen in Verbindung mit digitalen Schaltungen und/oder Schaltungen mit geringen Spannung in Verbindung mit Hochspannungsschaltungen und dergleichen enthalten können, angewendet werden, da auch in diesen Fallen eine Umgestaltung im Hinblick auf einen zuverlässigen Betrieb bei tiefen Temperaturen mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden wäre. Sofern dies also nicht explizit in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen genannt ist, sollten die hierin offenbarten Prinzipien nicht als auf eine spezielle Gestaltung eines Halbleiterbauelements eingeschränkt erachtet werden.
  • Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
  • 1a zeigt schematisch eine Draufsicht einer integrierten Schaltung 100, einem Chipgebiet eines Halbleiterbauelements entspricht, wobei die integrierte Schaltung 100 noch in einer Fertigungsphase ist, in der eine Vielzahl von Chipgebieten auf einem einzelnen Substrat angeordnet sind, etwa einer Halbleiterscheibe und dergleichen, während in anderen Fallen die integrierte Schaltung 100 eine einzelne Einheit repräsentiert, die in einem Gehäuse ist oder die an einem anderen geeigneten Trägermaterial angebracht ist, um elektrische Verbindungen zu peripheren Komponenten in Abhängigkeit von der Gesamtkonfigura tion zu schaffen. Die integrierte Schaltung 100 umfasst ein Substrat 101, das in Form eines beliebigen geeigneten Trägermaterials vorgesehen ist, etwa in Form eines Halbleitersubstrats und dergleichen. An dem Substrat 101 angebracht und/oder darin ausgebildet sind mehrere Schaltungselemente, wie sie nachfolgend detaillierter beschrieben sind, und es sind auch entsprechende Verbindungsstrukturen an oder in dem Substrat vorgesehen, um damit die gewünschte Schaltungsanordnung einzurichten. Mehrere Schaltungselemente und entsprechende Verbindungsstrukturen bilden mehrere Schaltungsbereiche 110a, ..., 110b, die gemeinsam auch als Schaltungsbereiche 110 bezeichnet werden. Es sollte beachtet werden, dass ein Schaltungsbereich als ein Funktionsblock verstanden wird, der unabhängig von anderen Funktionsblöcken in dem Sinne betrieben werden kann, dass auf der Grundlage einer vordefinierten Anzahl an Eingangssignalen der betrachtete Bereich ein oder mehrere Ausgangssignale bereitstellt. Somit können die Eingangssignale von anderen Schaltungsbereichen bereitgestellt werden, während die Ausgangssignale als Eingangssignale anderen Schaltungsbereichen zur Verfügung gestellt werden können, so dass die Funktion des Gesamtsystems erhalten wird, wobei dennoch ein gewisses Maß an Unabhängigkeit des Betriebs für die diversen Schaltungsbereiche 110a, ..., 110d bestehen kann. Beispielsweise repräsentiert in einer CPU (zentrale Recheneinheit) ein Taktsignal erzeugender Bereich einen Schaltungsbereich, der auf der Grundlage von Null Eingangssignalen arbeiten kann und der ein oder mehrere Ausgangssignale in Form von Taktsignalen liefert, die über die gesamte integrierte Schaltung 100 in Form eines sogenannten Taktbaumes verteilt werden, der so gestaltet ist, dass die Taktsignale innerhalb eines vordefinierten Bereichs an Taktsignalverzögerung zu jedem der Schaltungsbereiche 110a, ..., 110d zuführt. Es sollte beachtet werden, dass abhängig von der Gesamtkomplexität der integrierten Schaltung 100 mehrere unterschiedliche Schaltungsarchitekturen vorhanden sein können, etwa asynchrone Schaltungen, die kein Taktsignal für den Betrieb erfordern, symmetrische Schaltungsbereiche, die auf der Grundlage eines gemeinsamen Taktsignals betrieben werden, analoge Schaltungen und dergleichen. Wie zuvor erläutert ist, repräsentieren zumindest einige der Schaltungsbereiche 110 temperaturempfindliche Schaltungsbereiche im Hinblick auf tiefe Temperaturen in dem Sinne, dass eine zuverlässige Funktionsweise dieser empfindlichen Schaltungsbereiche bei einer tiefen Temperatur nicht garantiert ist. Beispielsweise rastet ein Taktsignalgenerator nicht in geeigneter Weise auf ein spezielles grundlegendes Oszillatorsignal bei tiefen Temperaturen ein, woraus sich ein Fehler beim korrekten Hochlaufen bzw. Booten eines Bauelements oder beim anderweitigen Initialisieren der integrierten Schaltung 100 ergeben kann. In anderen Fällen zeigen Oszillatorschal tungen eine erhöhte Frequenzverschiebung, wodurch das gesamte System 100 in einer nicht zuverlässigen Weise bei tiefen Temperaturen arbeitet. Beispielsweise kann man annehmen, dass der Schaltungsbereich 100b einen für tiefe Temperaturen empfindlichen Schaltungsbereich repräsentiert, dessen zuverlässiger Betrieb bei einer speziellen Temperatur, beispielsweise bei einer Temperatur unter 0 Grad C, nicht garantiert ist. Des weiteren umfasst die integrierte Schaltung 100 ein aktives Heizsystem 120, das so positioniert ist, dass es in thermischen Kontakt mit zumindest dem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich 110b ist, um damit die Temperatur des Bereichs 100b innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne bei gegebenen Umgebungsbedingungen anzuheben.
  • Beispielsweise ist das Heizsystem 120 ausgebildet, einen Temperaturanstieg von ungefähr 20 bis 40 Grad C oder mehr innerhalb mehrerer Sekunden bei einer Umgebungstemperatur von ungefähr –40 Grad C zu ermöglichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass abhängig von den Gesamterfordernissen das Heizsystem 120 in anderer Weise gestaltet sein kann, um damit ein anderes Temperaturverhalten für den Schaltungsbereich 110b zu erzeugen. Des weiteren sollte beachtet werden, dass der Begriff „in thermischen Kontakt” so zu verstehen ist, dass ein gegebener Temperaturanstieg innerhalb einer gegebenen Zeitdauer unter speziellen Umgebungsbedingungen erreicht wird, d. h. für eine gegebene repräsentative Temperatur des Bereichs 110b, beispielsweise für die oben spezifizierten Bedingungen, unabhängig von der tatsächlichen räumlichen Lage zwischen dem Schaltungsbereich 110b und dem Heizsystem 120. Es sollte auch beachtet werden, dass das Heizsystem 120 in mehr oder minder großem Maße auch mit den restlichen Schaltungsbereichen 110a, 110c, 110d thermisch gekoppelt ist, jedoch in einigen anschaulichen Ausführungsformen in einem deutlich geringeren Ausmaß, wodurch ein im Wesentlichen lokales oder selektives Heizen des Schaltungsbereichs 110b ermöglicht wird. Ferner ist in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Heizsystem 120 als ein unabhängiger Schaltungsbereich vorgesehen, der elektrisch nicht zu dem gesamtelektrischen Funktionsverhalten der integrierten Schaltung 100 beiträgt. D. h., in einigen anschaulichen Ausführungsformen liefert das Heizsystem 120 kein elektrisches Ausgangssignal, das von anderen Schaltungsbereichen benötigt wird, um die beabsichtigte Funktion dieser Schaltungsbereiche zu ermöglichen. Folglich kann das Heizsystem 120 deaktiviert werden, indem beispielsweise die Stromzufuhr abgeschaltet wird, ohne dass das Funktionsverhalten des Bauelements 100 beeinflusst wird, wenn dieses in einem spezifizierten Temperaturbereich betrieben wird, für die eine zuverlässige Funktionsweise spezifiziert ist.
  • In anderen anschaulichen Ausführungsformen, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist, repräsentiert das Heizsystem 120 einen Teil eines Funktionsblockes der integrierten Schaltung 100, jedoch mit einer größeren Robustheit im Hinblick auf den Betrieb bei tiefen Temperaturen, wobei das System 120 ohne Eingangssignal, zumindest ohne Signal von temperaturkritischen Bereichen, etwa dem Bereich 110b, betrieben werden kann, so dass die Abwärme zumindest teilweise dem Schaltungsbereich 110b zugeführt werden kann, um damit eine korrekte Betriebsweise zu ermöglichen, sobald eine spezielle Temperatur erreicht ist.
  • Die in 1a gezeigte integrierte Schaltung 100 kann gemäß gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, in denen entsprechende Fertigungstechniken eingesetzt werden, um die Schaltungselemente zum Bilden der diversen Schaltungsbereiche 110 zu bilden. Auf der Grundlage dieser Fertigungstechniken wird auch das Heizsystem 120 hergestellt, beispielsweise in der Bauteilebene, d. h. in und auf einer entsprechenden Halbleiterschicht und/oder in der Kontaktebene und/oder in dem Metallisierungssystem und/oder in dem Substrat 101 und/oder daran angebracht. Somit können beispielsweise Widerstandsstrukturen für das System 120 vorgesehen werden, die mit einer Leistungsquelle verbindbar sind, etwa der Versorgungsspannung der integrierten Schaltung 100, was auf der Grundlage eines Steuermechanismus bewerkstelligt werden kann, der in dem System 120 implementiert ist, oder der in einem der Schaltungsbereiche 110, etwa dem Bereich 110c eingebaut ist, wie des in 1a gezeigt ist, um temporär das System 120 auf der Grundlage des Betriebszustands der integrierten Schaltung 100 zu aktivieren. Beispielsweise wird beim Einschalten das System 120 mit Energie versorgt, um damit vorzugsweise dem temperaturempfindlichen Bereich 110b zu erwärmen, wobei nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder dem eine gewünschte Temperatur in dem Bereich 110b erreicht ist, der Stromfluss unterbrochen wird, indem entsprechende Transistorelemente und dergleichen in geeigneter Weise gesteuert werden. Dies kann mittels eines Steuermechanismus erreicht werden, der unabhängig zu den Schaltungsbereichen 110 oder in Verbindung mit zumindest einem der Bereiche 110 vorgesehen wird. Es sollte beachtet werden, dass die Schaltungsbereiche 110 gemäß gut etablierten Entwurfskriterien gebildet werden oder auf der Grundlage von Kriterien in Bezug auf das Temperaturverhalten entworfen werden, wie sie typischerweise in weniger anspruchsvollen Umgebungsbedingungen im Hinblick auf den Betrieb bei tiefer Temperatur angewendet werden, wodurch möglicherweise Entwicklungszeit und Herstel lungskosten eingespart werden, während das Heizsystem 120 effizient durch geeignetes Positionieren gut etablierter Schaltungskomponenten, etwa polykristalliner Halbleiterleiterleitungen, Metallleitungen in den diversen Bauteilebenen implantierte Halbleitergebiete und dergleichen eingerichtet werden kann. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden selbst Bauteilstrukturelemente, die bereits in den Schaltungsbereichen 110 enthalten sind, für das Heizsystem 120 eingesetzt, indem die entsprechenden Strukturelemente elektrisch angeschlossen werden, etwa Platzhalterleitungen von Gateelektrodenstrukturen und dergleichen, die häufig vorgesehen werden, um Prozessbedingungen kritischer Fertigungsprozesse, etwa der Lithographie, des Ätzens und dergleichen zu verbessern.
  • 1b zeigt schematisch eine Draufsicht eines Bereichs der integrierten Schaltung 100, in welchem der temperaturkritische Schaltungsbereich 110b durch mehrere Transistorelemente 130 repräsentiert ist, während ein im Wesentlichen nicht-kritischer Schaltungsbereich, etwa der Schaltungsbereich 110a, durch Transistorelemente 140 repräsentiert ist. Wie gezeigt, enthalten die Transistoren 130, 140 Gateelektroden 131, 141 und Drain- und Sourcegebiete 132, 142. Wie gezeigt, sind mehrere Transistorzellen, die durch die Strukturen 130, 140 repräsentiert sind, so verbunden, wie dies durch die Gesamtschaltungskonfiguration erforderlich ist. Beispielsweise ist ein komplementäres Transistorpaar, wovon jeder Transistor aus einer entsprechenden elementaren Transistorzelle 130 aufgebaut ist, so vorgesehen, dass dieses beispielsweise einen Inverter oder ein anderes grundlegendes Schaltungselement repräsentiert. Wie zuvor ausgeführt ist, können die Transistoren 130, 140 gemäß gut etablierten Prozesstechniken auf der Grundlage von Entwurfsregeln hergestellt werden, die der integrierten Schaltung 100 entsprechen. Beispielsweise repräsentiert in der in 1b gezeigten Ausführungsform die Transistoren 130, 140 Feldeffekttransistoren, wobei die Gateelektrodenstrukturen 131, 141 auf Grundlage eines Gateisolationsmaterials, eines Polysiliziummaterials, möglicherweise in Verbindung mit einem darauf ausgebildeten Metallsilizid, hergestellt sind. Des weiteren umfasst die integrierte Schaltung 100 das Heizsystem 120, wovon ein Teil durch eine Widerstandsstruktur 121 repräsentiert ist, die in der gezeigten Ausführungsform durch eine „Gateelektrodenstruktur” repräsentiert ist, die jedoch in geeigneter Weise im Hinblick auf den Schaltungsbereich 100b so positioniert ist, dass der Wärmeaustausch von der Widerstandsstruktur 121 zu den Transistoren 130 verbessert ist, während auch ein hohes Maß an Kompatibilität mit den gesamten Entwurfskriterien ermöglicht wird. Wie gezeigt ist, kann beispielsweise die Widerstandsstruktur 121 die Transistoren 120 im Wesentlichen umschließen, was zu einem effizienten Wärmeaustausch beim Erzeugen eines Stromflusses durch die Widerstandsstruktur 121 führt, indem beispielsweise entsprechende Endbereiche mit einer Spannungsquelle verbunden werden, was bewerkstelligt werden kann, indem eine geeignet gestaltete Transistorstruktur bereitgestellt wird, deren Drain- und Sourcestrompfad geeignet mit der Widerstandsstruktur 121 verbunden ist.
  • Wie zuvor erläutert ist, kann die in 1b gezeigte integrierte Schaltung 100 auf Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, wobei die Widerstandsstruktur 121 in Form einer Gateelektrodenstruktur während des grundlegenden Transistorfertigungsprozesses für die Bauelemente 130, 140 hergestellt wird, ohne dass im Wesentlichen zur Prozesskomplexität beigetragen wird. Abhängig von der Konfiguration der Widerstandsstruktur 121 wird deren Schichtwiderstand geeignet eingestellt, was auf Grundlage eines zusätzlichen Lithographieprozesses bewerkstelligt werden kann, beispielsweise durch Vermeiden einer Implantation der Widerstandsstruktur 121 und/oder durch Vermeiden oder anderweitiges Steuern der Herstellung eines Metallsilizids in der Struktur 121, wenn ein geringerer Schichtwiderstand erwünscht ist. In anderen Fällen kann der Gesamtwiderstand der Struktur 121 auf Grundlage einer Länge eingestellt werden, während im Wesentlichen die gleiche grundlegende Konfiguration wie für die Gateelektrode, beispielsweise im Hinblick auf den Dotierstoffpegel, die Menge an Metallsilizid und dergleichen, angewendet wird. Wenn etwa eine moderat hohe Leistungsaufnahme in der Struktur 121 erwünscht ist, kann ein geeignet geringer Gesamtwiderstandswert erzeugt werden, wobei dennoch die Widerstandsstruktur 121 den höchsten Widerstand in dem gesamten leitenden Weg, der eine Spannungsquelle mit der Widerstandsstruktur 121 verbindet, repräsentiert.
  • 1c zeigt schematisch die integrierte Schaltung 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen ein Teil des Heizsystems 120 über der Bauteilebene eingerichtet ist, d. h. innerhalb des Metallisierungssystems der integrierten Schaltung 100. Wie gezeigt ist eine Halbleiterschicht 102, etwa eine Siliziumschicht, die andere Komponenten aufweisen kann, etwa Germanium, Kohlenstoff und dergleichen, um die elektronischen Eigenschaften anzupassen, oder wie andere geeignete Halbleitermaterialien, etwa Halbleiterlegierungen, III-V-Verbindungen, II-VI-Verbindungen und dergleichen enthalten kann, über dem Substrat 101 gebildet. Es sollte beachtet werden, dass das Substrat 101 und die Halbleiterschicht 102 eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration bilden, wenn eine vergrabene isolierende Schicht (nicht gezeigt) zwischen der Halbleiterschicht 102 und dem Substrat 101 vorgesehen ist. Eine entsprechende SOI-Konfiguration kann auch lediglich teilweise in der entwickelten Schaltung 100 abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen realisiert sein. Ferner sind die Transistoren 130 mit den Drain- und Sourcegebieten 132 und der Gateelektrodenstruktur 131 von der Kontaktschicht 150 umschlossen und passiviert, die ein geeignetes dielektrisches Material 151 aufweisen kann, in welchem Kontaktelemente (nicht gezeigt) ausgebildet sind. Des weiteren ist ein Metallisierungssystem 160 über der Kontaktebene 150 ausgebildet und enthält eine oder mehrere Metallisierungsschichten, wie dies für das Bereitstellen der entsprechenden gegenseitigen elektrischen Verbindungen der Schaltungselemente entsprechend dem gesamten Schaltungsaufbau erforderlich ist. Des weiteren enthält in der gezeigten Ausführungsform das Metallisierungssystem 160 zumindest einen Bereich des Heizsystems 120, beispielsweise in Form einer metallenthaltenden Widerstandsstruktur 121 in Verbindung mit entsprechenden Kontaktelementen 122, die in Form von Kontaktdurchführungen und Metallleitungen, die in einer höheren Metallisierungsebene ausgebildet sind, vorgesehen sein können. Es sollte beachtet werden, dass das Heizsystem 120 ferner Komponenten in der Bauteilebene, die durch die Halbleiterschicht 102 repräsentiert ist, aufweisen kann, beispielsweise in Form eines geeignet gestalteten Transistors und dergleichen, um damit eine selektive Aktivierung des Systems 120 zu ermöglichen, d. h. einem gesteuerten Stromfluss durch die Widerstandsstruktur 121 zu ermöglichen. Der Einfachheit halber sind derartige weitere Komponenten in der Bauteilebene 102 und auch in dem Metallisierungssystem 160 zur Verbindung mit den Kontaktbereichen 122 nicht gezeigt. Auch in diesem Falle kann eine effiziente Wärmeübertragung von der Widerstandsstruktur 121 zu den temperaturempfindlichen Transistorelementen 130 über die Kontaktebene 150 bewerkstelligt werden, wobei darin enthaltene Metallkontakte die gesamte thermische Leitfähigkeit zwischen der Widerstandsstruktur 121 und den Transistoren 130 noch weiter verbessern. Wie zuvor erläutert ist, können auch in diesem Falle die Widerstandsstrukturen 121 und die jeweiligen Kontaktbereiche 122 auf der Grundlage gut etablierter Techniken hergestellt werden, wie sie auch zur Herstellung anderer Metallstrukturelemente in dem Metallisierungssystems 160 eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Gesamtwiderstand der Widerstandsstruktur 121 auf Grundlage der Abmessungen der Struktur 121, beispielsweise in Form der Leitungsbreite und der Gesamtlänge eingestellt werden, während andere Eigenschaften, etwa die Materialzusammensetzung und dergleichen für andere Metallstrukturelemente in der gleichen Metallisierungsebene des Systems 160 gleich sind. In anderen Fällen wird, wenn weitere Prozessschritte als geeignet erachtet werden, das elektrische Verhalten der Struktur 121 auf Grundlage geeigneter Materialbe handlungen eingestellt, die selektiv auf die Struktur 121 angewendet werden, während andere Metallstrukturelemente in dem System 160 abgedeckt sind.
  • 1d zeigt schematisch die integrierte Schaltung 100 gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen ein Bereich des Heizsystems 120, beispielsweise die Widerstandsstruktur 121 in Verbindung mit geeigneten Kontaktbereichen (nicht gezeigt), unter der Halbleiterschicht 102 und damit innerhalb des Substrats 101 angeordnet ist. Wenn beispielsweise die Halbleiterschicht 102 über dem Substrat 101 ohne ein dazwischenliegendes vergrabenes isolierendes Material vorgesehen wird, kann die Struktur 121 in Form einer vergrabenen Leitung bereitgestellt werden, beispielsweise in Form einer geeignet dotierten Halbleiterleitung, die elektrisch zu benachbarten Halbleiterbereichen durch geeignete Techniken, etwa durch eine geeignete Wannenimplantation und dergleichen, isoliert ist. In anderen Fällen wird die vergrabene Widerstandsstruktur 121 während einer Prozesssequenz hergestellt, wenn Grabenisolationsstrukturen (nicht gezeigt) hergestellt werden, während welcher geeignete Gräben in der Halbleiterschicht 102 gebildet werden, die nachfolgend mit einem isolierenden Material aufgefüllt werden. Somit wird während einer entsprechenden Fertigungsprozesssequenz auch die vergrabene Widerstandsstruktur 121 gebildet, beispielsweise als eine entsprechende Leitung oder Platte, indem ein geeignetes Material abgeführt wird und dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen, wenn eine vergrabene isolierende Schicht vorgesehen ist, die Widerstandsstruktur 121 unter der vergrabenen isolierenden Schicht durch Ätzen durch die Schicht oder durch Implantieren einer Dotierstoffsorte durch das vergrabene isolierende Material hindurch hergestellt werden kann, wodurch die Widerstandsstruktur 121 in der Nähe der Transistorelemente 130 angeordnet werden kann, wobei dennoch für eine zuverlässige elektrische Isolierung der Struktur 121 in Bezug auf die Halbleiterschicht 102 gesorgt ist.
  • 1e zeigt schematisch eine Draufsicht eines Teils der integrierten Schaltung 100, der ein aktives Gebiet für einen oder mehrere der Transistoren 120 repräsentiert, wobei das Gebiet der Einfachheit halber ebenfalls als Gebiet 132 bezeichnet ist, da die Drain- und Sourcegebiete darin durch Ionenimplantation oder andere Mittel in einer späteren Fertigungsphase gebildet werden. Wie ferner gezeigt ist, ist eine Grabenisolationsstruktur 133 ausgebildet und umschließt lateral das aktive Gebiet 132, wodurch eine laterale elektrische Isolierung des Gebiets 132 in Bezug auf benachbarte Schaltungselemente erfolgt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Widerstandsstruktur 121 in die Grabenisolationsstruktur 123 eingebaut, wodurch eine raumsparende Konfiguration bereitgestellt wird, wobei dennoch ein hohes Maß an Entwurfs- und Prozesskompatibilität aufrecht erhalten wird. Zu diesem Zweck umfasst die Isolationsstruktur 133 ein leitendes Material 121a, beispielsweise in Form eines Polysiliziummaterials, möglicherweise in einem geeignet dotierten Zustand, das lateral von einem dielektrischen Material 133a, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, und dergleichen umschlossen wird, wie es typischerweise in konventionellen Grabenisolationsstrukturen eingesetzt wird. Ferner können geeignete Positionen zur Herstellung von Kontaktelementen 122 ausgewählt werden, um damit einen gewünschten Stromfluss durch die Struktur 121 zu erhalten, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen die entsprechenden Positionen für die Kontaktelemente 122 vorteilhafterweise so gewählt werden, dass näherungsweise gleiche Widerstandswerte für beide Stromflussrichtungen erreicht werden, wie dies durch die Pfeile 121b angegeben ist.
  • 1f zeigt schematisch eine Querschnittsansicht gemäß der Linie If aus 1e während einer fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst die integrierte Schaltung 100 den Transistor 130 der in und über der Halbleiterschicht 102 ausgebildet ist, wobei das transistoraktive Gebiet von der Grabenisolationsstruktur 133 umschlossen ist. Wie gezeigt wird das leitende Material 121 der Widerstandsstruktur 121 in dem isolierenden Material 133a gebildet, wodurch die gewünschte elektrische Isolierung im Hinblick auf benachbarte Schaltungselemente, etwa dem Transistor 130, erreicht wird. Des weiteren ist die Kontaktebene 150 über der Halbleiterschicht 102 ausgebildet und weist die Kontaktelemente 122 auf, die eine Verbindung mit der Widerstandsstruktur 121 an geeigneten Positionen herstellen, wie dies auch zuvor mit Bezug zu 1e erläutert ist, wobei auch Kontaktelemente 152 vorgesehen sind, um zu einem oder mehreren Transistoren 130 eine Verbindung herzustellen.
  • Die in 1f gezeigte integrierte Schaltung 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Es werden geeignete Gräben in der Halbleiterschicht 102 gebildet, um damit das aktive Gebiet 132 zu definieren, wie es in 1e gezeigt ist, wobei eine Breite der jeweiligen Gräben so angepasst ist, dass ein zuverlässiges Auffüllen mit den Materialien 133a und 132a ermöglicht wird. Danach wird eine mögliche Eckenverrundung durch thermische Oxidation durchgeführt, und das Material 133a wird mittels einer konformen Abscheidetechnik, etwa CVD, auf der Grundlage geeigneter Vorstufenmaterialien zur Herstellung von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, und dergleichen gebildet. Als nächstes wird ein leitendes Material, etwa Polysilizium und dergleichen abgeschieden, beispielsweise in einem geeignet sondierten Zustand in Abhängigkeit von dem gewünschten Gesamtwiderstandswert, der für die Struktur 121 erforderlich ist. Als nächstes wird überschüssiges Material der zuvor abgeschiedenen Materialien, etwa des Polysiliziums, des Siliziumdioxids, und dergleichen, mittels einer geeigneten Einebnungstechnik entfernt, etwa durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen. Anschließend werden gut etablierte Transistorherstellungstechniken ausgeführt, um die Transistoren 130 zu bilden und es wird auch die Kontaktebene 150 gemäß gut etablierter Prozessstrategien hergestellt. Danach werden die Kontaktelemente 152 und 122 in einer gemeinsamen Fertigungssequenz unter Anwendung gut etablierter Techniken gebildet, wobei eine entsprechende Lithographiepmaske in geeigneter Weise so gestaltet ist, dass die Kontaktöffnungen für die Kontakte 122 an gewünschten Positionen über dem leitenden Material 121a innerhalb der Isolationsgräben 123 angeordnet werden. Folglich wird ein hohes Maß an Kompatibilität mit konventionellen Prozessstrategien erreicht, während dennoch eine sehr lokale Bereitstellung eines Wärmemechanismus realisiert wird. Es sollte beachtet werden, dass andere Schaltungselemente, wie sie beispielsweise zum Steuern der Aktivierung der Widerstandsstruktur 121 erforderlich sind, in der Bauteilebene beispielsweise in Form von Transistorelementen und dergleichen, vorgesehen werden können, wie dies auch zuvor erläutert ist.
  • 1g zeigt schematisch die integrierte Schaltung 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen Teil des Heizsystems, d. h. die Widerstandsstruktur 121, auf der Rückseite des Substrats 101 vorgesehen ist oder zumindest von der Rückseite des Substrats 101 her gebildet wird, wodurch ebenfalls eine vergrabene Konfiguration bereitgestellt wird. Beispielsweise wird die Widerstandsstruktur 121 in Form einer geeigneten metallenthaltenden Struktur gebildet, die an dem Substrat 101 angebracht ist, um damit eine mehr oder weniger räumlich selektive Erwärmung des temperaturempfindlichen Schaltungsbereichs 110d zu ermöglichen. Auch in diesem Falle wird eine geeignete Verbindungsstruktur in Form von aktiven Schaltelementen in der Bauteilebene vorgesehen, um die Widerstandsstruktur 121 in steuerbarer Weise mit einer geeigneten Spannungsquelle zu verbinden, wie dies zuvor erläutert ist.
  • 1h zeigt schematisch eine Draufsicht der integrierten Schaltung 100, in der eine globalere Version des Heizsystems 120 in Verbindung mit einem oder mehreren temperaturemp findlichen Schaltungsbereichen 110b verwendet wird. Beispielsweise sind mehrere Schaltungsbereiche 110b, wovon jeder aus mehreren Schaltungselementen aufgebaut ist, in der integrierten Schaltung 100 vorgesehen, wobei ein entsprechendes Netzwerk aus Widerstandsstrukturen 121 in unmittelbarer Nähe zu jedem der temperaturempfindlichen Schaltungsbereiche 110b angeordnet ist, so dass eine effiziente Wärmeübertragung ermöglicht wird, ohne dass wesentliche Entwurfsmodifizierungen, beispielsweise im Hinblick auf die Positionierung der Schaltungsbereiche 110b, erforderlich sind. Das Netzwerk der Widerstandsstrukturen 121 kann in einer oder mehreren Bauteilebenen realisiert werden, wie dies auch zuvor erläutert ist. D. h., die Widerstandsstrukturen 121 können aus Halbleitermaterial innerhalb der aktiven Halbleiterschicht aufgebaut sein, und/oder die Strukturen 121 enthalten ein Gateelektrodenmaterial, etwa Polysilizium, das über der Halbleiterschicht gebildet ist, und/oder es werden metallenthaltende Strukturen in dem Metallisierungssystem eingesetzt, und auch vergrabene Widerstandsstrukturen können verwendet werden, beispielsweise im Hinblick auf eine Reduzierung der Gesamtfläche, die von dem Heizsystem 120 eingenommen wird. Folglich kann der Gesamtaufbau für die temperaturempfindlichen Bereiche 110b ähnlich sein zu nicht-kritischen Bereichen, etwa den Schaltungsbereichen 110a, 110c, da die Widerstandsstrukturen 121 in einer sehr raumsparenden Weise vorgesehen werden können.
  • 1i zeigt schematisch die integrierte Schaltung 100 in Verbindung mit dem Heizsystem 120 gemäß anschaulichen Ausführungsformen, in denen die eigentliche Erzeugung der Wärme entfernt von dem temperaturempfindlichen Bereich 100b stattfindet, wobei dennoch ein effizienter Wärmeübertragungsmechanismus eingerichtet wird, indem die thermische Leitfähigkeit zwischen dem Bereich 110b und einem Heizelement, beispielsweise in Form der Widerstandsstruktur 121 und dergleichen in geeigneter Weise erhöht wird. Ein thermisch leitender Weg 123 wird in einer geeigneten Bauteilebene eingerichtet, wobei in der gezeigten Ausführungsform die Kontaktebene 150 für das Einbau von thermisch leitenden Bereichen verwendet wird, um damit den thermisch leitenden Weg 123 zu bilden. Die Kontaktebene 150 repräsentiert eine geeignete Stelle zum Einrichten des Weges 123, da diese in unmittelbarer Nähe zu relevanten Schaltungselementen des Bereichs 110b, wobei dennoch für ein gewisses Maß an Gestaltungsfreiheit im Vergleich zur Bauteilebene gesorgt ist und auch im Hinblick auf die Metallisierungsebene, da die Kontaktebene im Wesentlichen nur durch vertikale Kontaktelemente mit relativ kleinen lateralen Abmessungen „bevölkert” ist, während andere Bauteilbereiche eine Vielzahl von Schaltungselementen erfordern, de ren laterale Abmessungen zumindest in einer Richtung deutlich größer sind, etwa bei Metallleitungen, der Transistorbereite, und dergleichen. Beispielsweise weist der thermisch leitende Weg 123 mehrere Platzhalterkontaktelemente 123a, 123b, 123c auf, die den Weg 123 definieren, da typischerweise das darin enthaltene Metall eine deutlich höhere thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu dem dielektrischen Material 151 aufweist. Jedoch sind die Platzhalterkontaktelemente 123a, ..., 123c nicht notwendigerweise miteinander verbunden, um damit die erforderliche elektrische Isolierung bereitzustellen, wenn reguläre Kontaktelemente 152 „gequert” werden, wobei jedoch dennoch ein geringerer thermischer Widerstand erreicht wird, da die regulären Kontaktelemente 152, die zwischen den Platzhalterelementen 123a, 123b angeordnet sind, dennoch für einen moderat geringen thermischen Gesamtwiderstand sorgen. Wenn folglich Entwurfskriterien für kritische Schaltungsbereiche das Positionieren eine Widerstandsstruktur 121 unmittelbar in der Nähe der kritischen Schaltungsbereiche ohne wesentliche Entwurfsmodifizierungen nicht zulassen, wird das Heizsystem 130 an einer geeigneten Stelle in der weiteren Umgebung des Schaltungsbereichs 110b positioniert, während der thermisch leitende Weg 123 für eine effiziente thermische Ankopplung der Widerstandsstruktur 121 an den Bereich 110b sorgt.
  • 1j zeigt schematisch die integrierte Schaltung mit dem Heizsystem 120, welches ein Thermoelement aufweist, das in einer geeigneten Bauteilebene eingerichtet werden, etwa der Kontaktebene 150. Wie gezeigt umfasst ein Thermoelement 124 eine erste Leitung 124a und eine zweite Leitung 124b, wovon jede eine andere Art an leitenden Material aufweist, etwa unterschiedliche Arten von Metallen, die an einem Grenzflächenbereich 124c verbunden sind, so dass ein Temperaturgradient entlang den Leitungen 124a, 124b zu einer Spannungsdifferenz auf Grund der Grenzfläche 124c gemäß dem gut bekannten thermoelektrischen Effekt führt. Beispielsweise enthalten die Leitungen 124a, 124b Kupfer und Konstantan, um damit eine spezielle thermoelektrische Reaktion für einen spezifizierten Temperaturbereich zu erhalten, wodurch die ausgewählten Metalle definiert ist. Ferner können die Metallleitungen 124a, 124b mit einer geeigneten Steuerschaltung zum Einprägen eine Stromes in das Thermoelement 124 verbunden sein, möglicherweise mit einer Erfassung eines Spannungsunterschieds zwischen den Leitungen 124a, 124b. Wie zuvor angegeben ist, sind die Leitungen 124a, 124b in einigen anschaulichen Ausführungsformen in der Kontaktebene 150 der integrierten Schaltung 100 eingerichtet, wodurch eine effizient thermische Ankopplung an die darunter liegende Bauteilebene gelingt, was für eine ausreichende Entwurfsflexibilität beim geeigneten Führen der Metallleitungen 124a, 124b von dem Ort der Steuerschaltung 125 zu dem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich 110b gesorgt ist. Es sollte beachtet werden, dass ein Teil der Leitungen 124a, 124b und die Grenzfläche 124c direkt über dem Schaltungsbereich 110b positioniert werden, wenn dies gewünscht ist, während in anderen Fällen die entsprechenden Komponenten in unmittelbarer Nähe des Bereichs 110b angeordnet sind. Folglich kann durch das Einprägen eines Stromes in das Thermoelement 124 Wärme zwischen den Positionen 125 und dem Schaltungsbereich 110b übertragen werden, was im Falle einer Tieftemperaturbedingung so bewerkstelligt werden kann, dass Wärme erzeugt und an dem Bereich 110b übertragen wird. Andererseits kann, wenn der Schaltungsbereich 110b in einem zulässigen Temperaturbereich betrieben wird, überschüssige Wärme, die in dem Bereich 110b erzeugt wird, bei Bedarf über das Thermoelement 124 durch Umkehren der Stromflussrichtung abgeführt werden. Somit kann auch in diesem Falle eine geeignete Verlegung des Thermoelements 124 erreicht werden, beispielsweise in der Kontaktebene 150, wodurch eine effiziente entfernte Wärmeerzeugung und ein effizienter Wärmeübertrag bei Bedingungen unter tiefen Temperaturen erreicht wird.
  • 1k zeigt schematisch die integrierte Schaltung 100 gemäß einer Konfiguration, in der ein Schaltungsbereich 110f als ein Schaltungsbereich erkannt wird, der übermäßige Wärme kurz nach Aktivieren des Schaltungsbereichs 110f erzeugt. In diesem Falle kann die erzeugte Wärme vorteilhaft zum Aufheizen eines empfindlichen Schaltungsbereichs, etwa des Bereichs 110b verwendet werden, beispielsweise in dem ein geeigneter Wärmeübertragungsmechanismus bereitgestellt wird, etwa ein thermisch gut leitender Weg, wie dies auch zuvor mit Bezug zu 1i beschrieben ist, während in anderen Fällen geeignet gestaltete Thermoelemente eingesetzt werden, wie dies auch mit Bezug zu 1j erläutert ist. Beispielsweise werden in komplexen CPU's häufig Gleitkommaeinheiten eingesetzt, um damit das Gesamtleistungsverhalten im Hinblick auf komplexe arithmetische Operationen zu verbessern. Da entsprechende Funktionseinheiten einen moderat hohen Betrag an Wärme bereitstellen auf Grund der mehreren kritischen Signalwegen, die darin enthalten sind, kann die Abwärme vorteilhaft eingesetzt werden, um kritische Bereiche bei tiefen Temperaturen, etwa Phasenregelschleifeneinheiten, Verzögerungsschleifeneinheiten, Oszillatoren, und dergleichen aufzuheizen.
  • 1l zeigt schematisch die integrierte Schaltung 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Gesamtgestaltung geringfügig im Hinblick auf die in 1k gezeigte Konfiguration modifiziert ist, um damit den wärmeerzeugenden Schaltungsbereich 110f näher an den temperaturempfindlichen Bereich 110b anzuordnen, um damit eine verbesserte thermische Kopplung zu erreichen. Jedoch sind Entwurfsmodifizierungen der Schaltungsarchitekturen sowohl des Bereichs 110f als auch des Bereichs 110b ggf. nicht erforderlich, so dass gut etablierte Schaltungen weiterhin eingesetzt werden können. Wenn beispielsweise der temperaturempfindliche Bereich 110b während des Hochlaufens der integrierten Schaltung 100 nicht erforderlich ist, wird der Schaltungsbereich 110f für eine gewisse Zeitdauer während der Initialisierung aktiviert, wodurch ein oder mehrere benachbarte Schaltungen, etwa der Bereich 110b, aufgeheizt werden, die dann für einen Betrieb in normaler Weise initialisiert werden können.
  • Mit Bezug zu 2 werden entsprechende Betriebsmodi der integrierten Schaltung 100 nunmehr beschrieben.
  • Wie zuvor erläutert ist, ermöglicht das Bereitstellen von Heizelementen, beispielsweise von Widerstandsstrukturen und dergleichen, das „Vorheizen” von zumindest empfindlichen Bauteilbereichen in Bezug auf tiefe Temperaturen vor der eigentlichen Initialisierung des normalen Betriebsmodus. Dies kann beim Erkennen einer ungeeigneten Temperatur zumindest in einem kritischen Schaltungsbereich bewerkstelligt werden, indem beispielsweise eine chipinterne Temperaturfühlerschaltung, wie sie typischerweise in komplexen Schaltungsentwürfen vorhanden ist, beispielsweise in Form von Diodenstrukturen, Thermoelementen und dergleichen vorgesehen wird, die mit geeigneten Fühlerschaltungen verbunden sind. Somit kann beim Überwachen der Temperatur, d. h. eines repräsentativen Temperaturwertes, der die thermische Bedingung eines kritischen Schaltungsbereichs angibt, ein gesteuertes Aufheizen lokaler Bereiche eines Chips oder eine globalere Erwärmungsgrundlage der entsprechenden erkannten Temperatur initiiert werden. In anderen Quellen wird eine Temperatur auf der Grundlage des Erkennens eines gewissen Funktionszustands bestimmt, beispielsweise wird bei einem Einschaltereignis von dem Heizsystem angenommen, dass die Temperatur empfindlicher Schaltungsbereiche ungeeignet ist und damit einen Wärmebereich für einen spezifizierte Zeitdauer vor der Initialisierung des normalen Betriebsmodus erforderlich ist.
  • 2 zeigt schematisch ein Flussdiagramm anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Initialisierung der integrierten Schaltung 100 auf der Grundlage einer bestimmten Tem peratur ausgeführt wird. Somit wird gemäß Block 210 bestimmt, ob ein repräsentativer Temperaturwert mindestens eines kritischen Schaltungsbereichs unterhalb eines vordefinierten Schwellwertes liegt oder nicht. Beispielsweise wird eine entsprechende Information auf der Grundlage eines Temperatursignals eines temperaturempfindlichen Elements gewonnen, das in unmittelbarer Nähe zu einem kritischen Schaltungsbereich angeordnet ist, wobei das Signal einen Steuerabschnitt des Heizsystems 120 zugeführt wird, um zu bewerten, ob ein Aufheizen des kritischen Schaltungsbereichs erforderlich ist. Wenn im Block 210 bestimmt wird, dass die repräsentative Temperatur nicht unterhalb des vordefinierten Schwellwertes liegt, wird die Initialisierung eines kritischen Schaltungsbereichs in normalerweise ausgeführt, beispielsweise wird die Initialisierungssequenz für die diversen Komponenten der integrierten Schaltung 100, etwa einen CPU-Kern, einen Systemspeicher, einen Taktbau und dergleichen gemäß einer Sequenz ausgeführt, die für einen Temperaturbereich ausgelegt ist, bei welchem ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt ist. Wenn im Block 210 bestimmt wird, dass die Temperatur unter einem vordefinierten Schwellwert liegt, wird im Block 230 zumindest der kritische Schaltungsbereich erwärmt, beispielsweise durch Aktivieren entsprechender Heizelemente, etwa der zuvor beschriebenen Widerstandsstrukturen. Wie zuvor erläutert ist, kann die Aktivierung der Widerstandsstrukturen 121 oder anderer geeigneter Schaltungsbereiche, etwa des Bereichs 110f, durch einen Steuerabschnitt initialisiert werden, was bewerkstelligt werden kann mittels einer geeigneten Schaltung, die ein gewisses Maß an Verzögerung bietet, um damit die Temperatur des kritischen Schaltungsbereichs anzuheben. In anderen Fallen umfasst der Block 230 eine entsprechende Steuerschleife, in der die aktuelle Temperatur bestimmt wird und das Erwärmen der kritischen Schaltungsbereiche beibehalten wird, bis eine spezielle Temperaturbedingung erreicht ist. Ein entsprechender Steuerungsmechanismus kann in temperaturunkritische Schaltungsbereiche implementiert werden, während in anderen Fällen eine gewisse Verzögerung realisiert wird, indem eine einfache Analogschaltung in Verbindung mit einem RC(Widerstands-Kapazitäts-)Element vorgesehen wird. Danach geht der Prozessablauf zum Block 220 weiter, um damit die normale Initialisierungssequenz in Gang zu setzen, wie dies zuvor erläutert ist.
  • Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt integrierte Schaltungen und Verfahren zum Betreiben dieser Schaltungen bereit, wobei ein zuverlässiger Betrieb der integrierten Schaltung bei tieferen Temperaturen garantiert ist, was bewerkstelligt werden kann, Verwenden bestehender Prozesselemente zur Bereitstellung einer verbesserten Entwurfsstabilität, oh ne dass eine ausgeprägte Schaltungssimulation oder eine Umgestaltung gut etablierter Schaltungsarchitekturen erforderlich ist. Abhängig von der Gesamtstrategie kann das Erwärmen von kritischen Schaltungsbereichen in einer sehr lokalen Weise ausgeführt werden, so dass die Energiemenge auf einem sehr geringen Pegel gehalten werden kann, wobei ferner das Heizen auf kurze Zeitintervalle beschränkt werden kann, wodurch die Gesamtmenge an erforderlicher Energie weiter reduziert wird. In anderen Fällen wird ein globales Erwärmen während spezieller Betriebsphasen initiiert, beispielsweise wenn eine niedrige Temperatur durch die chipinterne Temperaturerfassungsschaltung angegeben wird oder wenn ein Einschaltereignis auftritt, so dass die integrierte Schaltung in einem sicheren Betriebsbereich gehalten werden kann oder in diesem versetzt werden kann. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird eine geeignete Initialisierungssequenz in der integrierten Schaltung eingerichtet, so dass das Aufheizen nur dann initialisiert wird, wenn dies erforderlich ist, wobei ein Zeitintervall, dass zum Versetzen entsprechender Schaltungsbereiche in einen normalen Bereich der Betriebstemperatur erforderlich ist, relativ gering ist, einige 10 Millisekunden bis einige Sekunden, was ggf. vom Anwender nicht einmal bemerkt wird, da die entsprechende Zeitdauer relativ klein ist im Vergleich zur gesamten Initialisierungssequenz, wenn beispielsweise ein Computersystem gebootet wird oder dergleichen.
  • Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Prinzipien zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims (25)

  1. Halbleiterbauelement mit: mehreren Schaltungselementen, die einen Funktionsschaltungsbereich repräsentieren, der in einem Chipgebiet ausgebildet ist; mindestens einem Heizelement, das in dem Chipgebiet ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Heizelement funktionsmäßig unabhängig von dem Funktionsschaltungsbereich und mit diesem thermisch gekoppelt ist; und einem Steuerungsmechanismus, der ausgebildet ist, das mindestens eine Heizelement zu aktivieren, zumindest wenn eine Temperatur des Funktionsschaltungsbereichs unter einem spezifizierten Schwellwert liegt.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement eine Widerstandsstruktur in einer Halbleiterschicht des Chipgebiets umfasst.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement eine Widerstandsstruktur aufweist, die über der Halbleiterschicht ausgebildet ist und wobei die Widerstandsstruktur ein Halbleitermaterial enthält.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement eine Widerstandsstruktur als ein Metallgebiet in einer Metallisierungsebene des Halbleiterbauelements aufweist.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement eine Widerstandsstruktur aufweist, die in einem Substratmaterial des Halbleiterbauelements angeordnet ist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement ein Thermoelement aufweist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement eine Widerstandsstruktur aufweist, die in einer Grabenisolationsstruktur ausgebildet ist, die mindestens eines der mehreren Schaltungselement lateral abtrennt.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Steuerungsmechanismus ein temperaturempfindliches Element aufweist, das in thermischem Kontakt mit dem Funktionsschaltungsbereich ist und ausgebildet ist, ein Temperatursignal bereitzustellen, das eine repräsentative aktuelle Temperatur des Funktionsschaltungsbereichs angibt.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Steuerungsmechanismus ausgebildet ist, das mindestens eine Heizelement während einer Einschaltphase zu aktivieren.
  10. Halbleitebauelement mit: einem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich mit mehreren Schaltungselementen, die in und über einer Halbleiterschicht ausgebildet sind; und einem zweiten Schaltungsbereich, der zumindest in und über der Halbleiterschicht ausgebildet ist und in thermischer Verbindung mit dem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich steht, wobei der zweite Schaltungsbereich ausgebildet ist, unabhängig von den temperaturempfindlichen Schaltungsbereich aktiviert zu werden, zumindest wenn eine repräsentative aktuelle Temperatur des temperaturempfindlichen Schaltungsbereichs unter einem spezifizierten Schwellwert liegt.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei der zweite Schaltungsbereich eine Widerstandshalbleiterstruktur aufweist, die über der Halbleiterschicht ausgebildet ist und teilweise lateral zumindest einige der mehreren Schaltungselemente der temperaturempfindlichen Schaltung umschließt.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei der zweite Schaltungsbereich einen Steuerungsabschnitt aufweist, der ausgebildet ist, die repräsentative Temperatur zu überwachen und den zweiten Schaltungsbereich zu aktivieren.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei ein Teil des zweiten Schaltungsbereichs einen Funktionsbereich mit mehreren Transistorelementen als Heizelemente repräsentiert.
  14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei der zweite Schaltungsbereich eine Widerstandsstruktur in einer Metallisierungsebene als Heizelement aufweist.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei der zweite Schaltungsbereich ein Thermoelement als Wärmeübertragungseinheit aufweist.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, wobei das Thermoelement ein erstes Metall in einer ersten Leitung und ein zweites Metall in einer zweiten Leitung aufweist, und wobei sich das erste und das zweite Metall voneinander unterscheiden.
  17. Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, wobei die erste und die zweite Leitung zumindest teilweise in einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial gebildet sind, das über der Halbleiterschicht ausgebildet ist und die mehreren Schaltungselemente von einer Metallisierungsebene des Halbleiterbauelements trennt.
  18. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei der zweite Schaltungsbereich eine Gleitkommaeinheit aufweist und wobei der temperaturempfindliche Schaltungsbereich und die Gleitkommaeinheit Teile einer zentralen Recheneinheit sind.
  19. Verfahren mit: Bestimmen einer repräsentativen Temperatur zumindest eines Schaltungsbereichs einer integrierten Schaltung; und Zuführen von Wärme zu dem mindestens einen Schaltungsbereich, wenn die bestimmte repräsentative Temperatur unter einem spezifizierten Schwellwert liegt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die repräsentative Temperatur zumindest während einer Einschaltphase bestimmt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei Erwärmen des mindestens einen Schaltungsbereichs umfasst: selektives Heizen des mindestens einen Schaltungsbereichs, während ein oder mehrere zweite Schaltungsbereiche der integrierten Schaltung nicht aktiv geheizt werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, das ferner umfasst: Heizen des mindestens einen Schaltungsbereichs für eine vordefinierte Zeitdauer und Initialisieren des mindestens einen Schaltungsbereichs nach der vordefinierten Zeitdauer.
  23. Verfahren nach Anspruch 19, wobei Heizen des mindestens einen Schaltungsbereichs umfasst: selektives Aktivieren mindestens eines Heizelements, das funktionsmäßig unabhängig von dem mindestens einen Schaltungsbereich ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei Heizen des mindestens einen Schaltungsbereichs umfasst: Zuführen von Energie zu einer Widerstandsstruktur, die ansonsten, wenn die repräsentative Temperatur über dem vordefinierten Schwellwert liegt, nicht mit Energie beaufschlagt ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der vordefinierte Schwellwert ungefähr 0 Grad C oder weniger beträgt.
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