使用半導體技術的熱電器件的製作方法

2023-08-10 18:11:01

專利名稱：使用半導體技術的熱電器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種集成熱電器件，特別涉及半導體技術中的塞貝克(kebeck)效應器件。
背景技術：
如今，許多集成電路包含內置的熱傳感器以提供關於電路的發熱的信息。當傳感器的溫度到達閾值時，電源管理電路將例如能夠停止功能、使時鐘減慢、或者觸發風扇。目前用在集成電路中的熱傳感器通常是正向偏置的p-n結的形式。在二極體的端子處的電壓指示結的溫度。這樣的傳感器呈現出消耗約20 μ A的恆流的缺點、以及最重要的是在閾值溫度(估計為+/_20°C)上並非非常精確的缺點。雖然它們當前一般使用在行動裝置中，但是，由於殼體中不斷增加的功率耗散(這與更快或新的功能的併入有關)，使用這些傳感器的局限性開始變得明顯。存在更精確且不消耗電流的自發(autonomous)傳感器，稱作塞貝克效應傳感器。它們還被稱為「熱電偶」。這些熱傳感器是差動式的(differential)，並要求冷源和熱源同時可用。圖1描繪了 CMOS技術中具有塞貝克效應的集成差動傳感器，如在Therminic2005 會議上公布的 Eduardo Aldrete-Vidrio> Diego Mateo 和 Jos印 Altet 的題目為"Differential Temperature Sensor in 0. 35 μ m CMOS Technology，，的文章中所描述的。一些平行的傳導條(bar)形成在矽襯底上。這些條的一端位於冷源的位置(level)處(在左側)，而另一端位於熱源的位置處(在右側)。所述條通過金屬化(metallization) 10而電串聯連接。奇數行的條12和偶數行的條14具有不同的特性，一者由多晶矽「polyl」製造，而另一者由多晶矽「poly2」製造或者通過襯底的ρ+注入而製造。因此，一些熱電偶形成在金屬化10的位置處，所述熱電偶串聯連接以便提高傳感器的靈敏度。此布置也稱為「熱電堆」。熱電堆的長度為約500 μ m，而其寬度為約16 μ m。在傳感器的端子處的提供給測量電路15的電壓U與處於熱源側的熱電偶和處於冷源側的熱電偶(下面為了簡化，我們將稱為傳感器的熱和冷側)之間的溫度差成比例。比例係數自身與熱電偶的數量成比例，並且與用於所述條的金屬對的塞貝克係數成比例。圖2描繪了熱電堆的熱側的溫度Th響應於由熱源耗散的理想功率步幅P的瞬時變化的示例。溫度Th逐漸增長並漸進地趨於與熱動力學平衡對應的溫度值。增長速率取決於熱源的功率和熱容量。最大值取決於熱源除熱的功率和能力。在冷側的溫度Tc不變的情況下，傳感器的端子處的電壓直接指示熱源的溫度變化Th。上述文章在表徵晶片上的功能單元的熱行為的上下文中描述了這種傳感器，並且提出將其集成在專用於熱表徵的電路系列中。由於傳感器的尺寸(約8000 μ m2)，其不能按原樣用在具有典型尺寸為約150000 μ m2的熱源(功率電晶體)的商用集成電路中(傳感器將佔功率電晶體的表面的5% )。

發明內容
已經覺察到了對既精確、又具有低消耗且具有使其適於用在商用集成電路中的尺寸的熱傳感器的需求。為了滿足此需求，特別提供了半導體技術中的集成熱電器件，其包括布置在熱源附近的熱側、以及冷側，並提供根據熱側與冷側之間的溫度差的信號。以如下方式布置熱側和冷側當熱源的溫度變化時，即，當傳感器處於差的操作條件時，它們的溫度趨於相等(equal out)。測量電路根據信號從熱源的溫度變化的時間起的連續可變的部分，提供有用信息。如果熱源的溫度停止變化，則熱側和冷側的溫度最終相等，並且該信號被取消(annul)並停止變化。熱側與冷側之間的距離可以小於100 μ m。


依據下面對僅僅為了非限制性示例的目的而給出且通過

的特定實施例的描述，其他優點和特徵將變得更加無疑地明顯，其中圖1(在前所述的)描繪了 CMOS技術中的具有塞貝克效應的傳統集成差動熱傳感器；圖2(在前所述的)描繪了在有利的情形中圖1的類型的傳感器中的溫度響應於功率步幅的瞬時變化；圖3描繪了在冷側Tc不能被認為是固定的情況下、圖1的類型的傳感器中的溫度和電壓響應於功率步幅的瞬時變化；圖4a、4b和如描繪了在三個特定的操作模式下、小尺寸的差動熱傳感器中的溫度和電壓的瞬時變化；圖5描繪了布置在集成電路中的用以測量MOS功率電晶體的溫度的小尺寸的差動熱傳感器；圖6描繪了能夠被應用於小尺寸的差動熱傳感器的各種優化；以及圖7描繪了在小尺寸的差動熱傳感器的特定示例上測量的溫度和電壓的變化。
具體實施例方式為了受益於塞貝克效應熱傳感器或差動傳感器的優點，在商用集成電路中，期望減小其總尺寸。由於傳感器的寬度能夠由該技術的各維度以及由使得能夠實現所需靈敏度的結的數量決定，所以傳感器的長度是唯一的自由度(latitude)。在當前技術中，此長度需要小於100 μ m，優選地小於50 μ m，S卩，比關於圖1描述的傳統傳感器的長度小五到十倍。然而，減小傳感器的長度牽涉到使熱源和冷源彼此更接近，這引起到目前為止還無法解決的缺點。圖3描繪了在不利的情形(非恆溫的冷側Tc)中、圖1的類型的塞貝克效應熱傳感器的溫度和端子處的電壓U響應於施加在熱源上的功率步幅P的變化的示例。這樣的情形越不利，傳感器的長度減小得越多。熱側溫度Th如圖2中那樣變化。然而，在熱源的位置處產生的熱通過傳導而傳遞至冷源，由於取決於傳感器的長度以及熱源與冷源之間的材料的熱特性的一定時滯，冷源的溫度Tc從時間tl起開始增長。溫度Tc的增長不及溫度Th的增長快，這是因為熱源的熱在此源的周圍擴散並且僅有一小部分擴散至冷源。取決於冷源的除熱能力，溫度Tc漸進地趨於熱動力學平衡溫度，其在所描繪的最壞情況下等於Th的最大值。直到時間tl為止，傳感器的端子處的電壓U都跟隨溫度Th的變化。從時間tl起，當溫度Tc開始增長時，隨著溫度Tc逼近溫度Th，電壓U開始向著0逐漸減小。由於當前技術中集成約50 μ m的傳感器長度，電壓U的此脈衝的持續時間是約幾微秒。因此，傳感器在幾微秒之後變得不可操作，並且不能執行現有技術中所提及的測量。事實上，如果更嚴密地分析與集成電路的功能單元對應的區域的發熱現象，則可以觀察到此區域在穩定條件下的溫度建立在對其加熱的各個器件(特別是構成功能單元的功率電晶體)的平均溫度。這些功率電晶體通常操作在斬波模式中，也就是說，它們以高頻率交替地呈現導通和截止階段，所述導通和截止階段分別對應於發熱和冷卻階段。即使該區域的平均溫度恆定，也可以看出功率電晶體的位置處的溫度以斬波頻率可覺察到地變化。因為，為了使小尺寸的差動傳感器可用，將其熱側放置為緊挨著為溫度增長負責或者具有需要測量的溫度增長的功率電晶體。將冷側放置為遠離該電晶體，優選地，放置在不受另一個功率電晶體影響並且如果可能靠近連接至電路的導電接地平面的接地器的區域中，以便受益於更大的熱慣性。然後，代替在穩定條件下測量連續的溫度差，測量溫度差的瞬時幅度。圖如描繪了在斬波導通階段基本上等於溫度Tc和Th在電晶體的導通之後到達相同水平所用的時間的情況下、傳感器的熱側溫度Th和冷側溫度Tc、以及在傳感器的端子處的對應電壓U的變化的示例。在時間t0，電晶體導通，這對應於施加功率步幅P。從對應於該區域的平均溫度的平衡溫度TO開始，溫度Th和Tc以及電壓U如圖3那樣變化。在時間t2，在溫度Tc已經在其最大值與溫度Th交匯並且電壓U已經降回到0之後不久，電晶體截止。溫度Th和Tc的趨勢反轉，這對於溫度Th來說是立即的，而對於溫度Tc來說具有時滯，該時滯與電晶體的導通階段中的時滯相同。電壓U呈現一系列交替的正和負脈衝，所述脈衝的峰值能夠容易地測量以確定電晶體的發熱情況。電壓U的峰值不直接表示由電晶體實現的溫度增長，這是因為必須將冷源的溫度增長加到此上。此峰值仍然代表溫度差(Th-Tc)隨時間的變化。如果需要知道電晶體在導通階段的末尾的溫度增長，則可以從電壓U在每個切換階段的起始的曲線外推該溫度增長，這是因為，只要冷側溫度Tc還未開始顯著改變(時間tl)，電壓U就直接代表熱側溫度Th的變化。對於這樣的外推的需求，由於信號U到達其峰值的事實，時間tl在信號U上是可識別的。如果斬波頻率減小，電壓U的脈衝將具有基本上相同的幅度和樣子，但是它們將間隔得更遠。圖4b描繪了斬波頻率比圖如的情況中更高的情形。在電晶體截止的時間t2，溫度Th和Tc均未到達它們的最大值。熱側溫度Th立即開始減小，漸進地趨於初始溫度TO。另一方面，冷側溫度Tc (其以相對於溫度Th的變化具有時滯的方式作出反應)在時滯時段期間繼續增長，然後開始減小，漸進地趨於初始溫度。所述變化在幾個起動周期之後變為周期性的。與溫度Th和Tc的差成比例的電壓U呈現對稱的交替的樣子。可以觀察到信號的峰值比圖如的峰值低。當斬波頻率從圖如的情形增長時，峰值減小，這顯示出最大斬波頻率限制，其是在考慮到傳感器的各維度和系統的熱慣性的情況下傳感器可以觀察的最大斬波頻率限制。要被觀察的電晶體應在圖4的條件下或者在更低的斬波頻率中操作。圖如描繪了斬波佔空比接近1的情形。電晶體的導通階段對應於圖如的導通階段，即，它們對於溫度Th和Tc到達它們的最大值來說是足夠長的。電晶體的截止階段接近於冷側溫度Tc的變化的時滯。在開始於時間t0的第一導通階段以及開始於t2的第一截止階段期間，溫度Th、Tc以及電壓U如圖如中那樣變化。當第二和後續的導通階段發生時，冷側溫度Tc還未開始降低。這導致僅有溫度Th在截止階段期間變化。電壓U以非對稱的方式變化。其僅在電壓U呈現負的最大峰值的截止階段期間代表溫度Th。在前面對圖如至如的描述中，假設初始溫度TO為恆定。這是在穩定操作條件下的情況，其中電路已經達到其平均操作溫度。在瞬時條件下，例如當電路上電時，每個導通階段都對使溫度TO從環境溫度起升高作出貢獻。如這裡所描述的差動熱傳感器不適合於直接確定電晶體的絕對熱情況。然而，在大量可想到的電源管理應用中，知道溫度變化不足以推導趨勢和採取所需的措施來改變這些趨勢。例如，可以從由傳感器提供的電壓U比在電晶體的在前導通階段期間增長得更快、或者電壓U在導通階段中的變化超過閾值的事實，檢測到需要功率降低的情況。然而，如果需要知道絕對熱情況，則可以通過累加電壓U的峰值自電路上電起的帶符號的變化來估計它們。此累加代表平均溫度TO。例如，如果我們參考圖4a，則如果溫度TO在第一導通階段期間升高，那麼溫度Th在下個截止階段期間趨於溫度TO的新值。這導致電壓U在此階段期間的峰值在絕對值上低於前一階段的峰值，並且這些峰值的差(在絕對值上)代表溫度TO的升高。更精確地，可以累加漸近值的差，而非累加峰值的差，通過外推電壓U在每個階段的起始(在時間to與tl之間)的曲線而計算所述漸近值的差。使用信號U的測量電路將能夠由本領域技術人員根據他們的需求而設計。如果要外推趨勢，則可以將其與計算機關聯。可以對現有的用以管理集成電路的其他功能(例如，電源管理)的微控制器進行編程以執行必要的計算和進行所需的動作。圖5描繪了小尺寸的差動熱傳感器緊挨著要測量熱操作情況的MOS功率電晶體集成的示例。電晶體處於線A的右側，而傳感器處於左側。在P傳導性矽襯底(PWell(P阱))上形成集成電路。N傳導性的MOS電晶體具有傳統設計。其包括被多晶矽柵極18覆蓋的溝道16。該溝道由N+區域20和22勾劃出其輪廓。N+區域22可以通過具有更小厚度的N- 「擴展」區域而連接至該溝道，如所表示的。第一互連層Ml中形成的接觸M和沈通過通孔而連接至N+區域20和22，並且構成電晶體的源電極和漏電極。在溝道16下面的P區域被配置為絕緣阱(PWell工叨⑴絕緣阱))。此P阱由掩埋的N阱(DNW)和外圍的N阱(NWell (N阱))勾劃出其輪廓。第一互連層Ml中形成的接觸 28,30和32使得能夠通過相應的P+、N+和P+區域而與襯底PWell、外圍阱NWell和絕緣P 阱(PWell Iso)進行接觸。這些不同區域通過淺溝槽絕緣體(STI)而彼此絕緣。線A左側的傳感器包括如關於圖1所描述的熱電堆。傳感器的多晶矽條12和14 布置在形成於襯底中的淺溝槽絕緣體34上。此電絕緣體還證明是限制襯底與傳感器之間、 以及傳感器的熱側與冷側之間的熱量傳遞的熱絕緣體。可以構想其他絕緣體，諸如厚的氧化物或氮化物。優選通過由相繼的互連層(僅描繪出兩個，Ml和M2)中的通孔和金屬化的堆形成的熱橋將圖的最左側的傳感器的冷側耦至晶片的表面上的金屬帶(strip)(未示出)。此金屬帶可以通過接觸珠(contact bead)而連接至熱沉。目的是將傳感器的冷側理想地熱耦合至恆溫器，以便將其保持在儘可能恆定的溫度Tc中。實際上，耦合至電路的接地平面的接觸珠相對於傳感器上的測量所需的時間可以呈現出良好的熱慣性。還可以通過在接地平面中製造熱閘(thermal brake)而將電源地連接與控制地連接分開來提高此熱慣性，如可以由本領域的技術人員所實現的。大量形成以便減少熱阻的通孔不與條12和14進行任何電接觸。它們在絕緣體34 上圍繞條的末端周圍來收集熱。僅專用的通孔將傳感器的輸出接觸連接至金屬道，以用於將由傳感器提供的電壓U傳遞至操作電路的目的。電晶體發熱的區域是溝道16。因此，傳感器的熱側必須被放置為儘可能靠近溝道。 但是，如所描繪的，最多可以將傳感器的此熱側放置為與電晶體的外圍接觸。傳感器不可以幹擾構成電晶體的元件，在MOS功率電晶體的情況下，如所描述的，電晶體將該溝道放置為相對遠離外圍。為了改善溝道16與傳感器的熱側之間的熱傳遞，例如，優選將熱橋36以金屬化的形式提供在互連層M2中。此橋通過一端連接至電晶體的源電極M、另一端連接至傳感器的熱側而被連接。通過通孔以及(如果適用)中間互連層(傳感器側的Ml)的金屬化進行連接。至於傳感器的冷側，熱橋36的通孔與條12和14末端周圍的絕緣體STI 34接觸。為了使熱橋36具有最優效率，將其寬度(與圖的平面垂直的不可見的維度)選擇為在傳感器側與熱電堆的寬度相等，並且在電晶體側與源電極M的寬度相等。因為橋36形成相對大的金屬質量並因此形成高電容，所以其必須在電晶體側連接至經歷很小電壓變化的接觸。這通常是功率電晶體的源極，其連接至電源電壓(對於N 傳導性電晶體是接地，對於P傳導性電晶體是電源電壓)。在矽上的當前集成技術中，每個互連層中的金屬量必須考慮相對於填充金屬化之間的間隙的絕緣體的最小比例，以便在平面化操作之後獲得合適的表面狀態和均勻的厚度。在化學機械拋光(CMP)的情況下，此比例是約10%至15%。將此約束合併在集成電路設計工具中，使得這些工具在發現金屬的比例不足時，將自動添加規則地分布在互連層的表面上的小金屬凸點(稱為啞點(dummy))。在如圖5中描繪的傳感器中，tt點將不可避免地被插入傳感器的熱側與冷側之間的每個互連層中。這些啞點使熱阻減小，並增強熱側對冷側的加熱。這導致必須增加傳感器的長度以補償熱阻的減小。然而，通過約100 μ m的長度獲得可用的結果。圖6描繪了使得能夠考慮到CMP約束而最優化長度的熱傳感器的結構。此結構中使用的一個原則是根據CMP操作的技術要求以明智的方式分布最小量的金屬，使得在傳感器的熱側與冷側之間的熱傳遞不順利。所使用的技術例如包括七個互連層Ml至M7。因此，在這些層的每個中，必須考慮金屬的最小比例。在傳感器的冷側上，如關於圖5規定的，提供了通過通孔連接的垂直的金屬化堆 38。層Ml的金屬化通過通孔連接至傳感器的條12、14的末端周圍的絕緣體STI 34，而不與後者電接觸，如關於圖5而描述的。這些金屬化的寬度(即，它們與圖平面垂直的維度)約為構成傳感器的熱電堆的寬度。層M7的金屬化優選地連接至可從集成電路的外部到達的接觸片，能夠被放置為直接與熱沉接觸，或者通過接觸珠連接至印刷電路的金屬帶。在傳感器的熱側，在相繼的互連層Ml至M7中提供形成具有金屬臺階的階梯的臺階狀結構40。第一階梯從傳感器的熱端處的第一層Ml開始，並且朝著晶片的表面向上以及朝著冷側延伸。後續的階梯從層Ml上基本與第一階梯在層M7停止的地方垂直的位置開始。在所描繪的維度的情況中，此第二階梯在層M6停止，以便保持遠離冷側的堆38。如果傳感器更長，則此第二階梯也將在層M7停止，並且第三階梯將在層Ml中與第二階梯的最後臺階垂直處開始，以此類推，直到達到堆38為止。臺階從一層到下一層略有重疊，以便能夠通過通孔連接。層Ml的第一臺階不包括在向下的方向上連接它們的通孔。此外，第一階梯的第一臺階雖然在與熱橋36相同的層Ml 中形成，但是其不連接至熱橋。這些階梯實際上優選與集成電路的其他元件熱和電絕緣。選擇臺階的深度以使得金屬在每層中的比例等於所需最小值(10%至15% )。為了示例的目的，在65nm的CMOS技術中，可以採取2. 2 μ m的深度用於層M6和M7 (在那裡， 金屬較厚)的臺階，而採取1.6μπι的深度用於其他層。第二階梯可以在第一階梯的最後臺階之後的1.2μπι處開始。階梯的寬度約為構成傳感器的熱電堆的寬度，如熱橋36的寬度那樣。臺階狀結構40用作熱偏轉器，其促使熱向上傳播，遠離傳感器的冷側。由於金屬的此分布，可以生產僅具有約20 μ m的長度的可用熱傳感器。圖7描繪了圖6類型的傳感器原型的熱側和冷側溫度Th、Tc、以及由所述傳感器原型提供的電壓U響應於功率步幅的變化。傳感器的熱電堆僅包括兩個具有20 μ m長度的多晶矽條，它們分別為η傳導性和ρ傳導性的。功率步幅使得溫度上升的漸近(asymptotic)值為約50K。溫度Th實際上在 IOOys之後達到此值。冷側溫度Tc在步幅開始之後以約6μ s的時滯作出反應。在步幅的起始之後6. 2 μ s，測量到4. 9mV的最大電壓U。通過使用具有8個條的熱電堆，此值被乘以 4，而同時提供呈現非常小的尺寸的傳感器。應當根據使用傳感器輸出的電路的靈敏度以及所需精度，來選擇條的數量並因此選擇熱電堆的結的數量。
權利要求
1.一種半導體技術中集成的熱電器件，包括布置在熱源(16)附近的熱側(Th)、以及冷側(Tc)，並且根據所述熱側與所述冷側之間的溫度差提供信號(U)，其特徵在於，以如下方式布置所述熱側和所述冷側當所述熱源的溫度變化時，它們的溫度趨於相等。
2.如權利要求1所述的熱電器件，其特徵在於，其包括測量電路，所述測量電路根據所述信號的從所述熱源的溫度變化的時間起的連續可變的部分(tO-tl)，提供有用信息。
3.如權利要求1所述的熱電器件，其特徵在於，所述熱側與所述冷側之間的距離小於100 μ m0
4.如權利要求1所述的熱電器件，其特徵在於，所述熱側通過在所述半導體技術的互連層中形成的熱橋(36)而耦合至所述熱源。
5.如權利要求1所述的熱電器件，其特徵在於，其形成在絕緣體(34)上。
6.如權利要求1所述的熱電器件，其通過提供多個互連層(M1-M7)並且每層要求最小比例的金屬的技術而形成，其特徵在於，其包括從所述熱側開始並從所述傳感器的平面離開而朝著所述冷側前進的臺階狀結構(40)，所述結構的臺階由相繼的互連層中的金屬形成。
7.如權利要求6所述的熱電器件，其特徵在於，以允許每層滿足最小金屬比例要求的最小尺寸來實現所述臺階。
8.如權利要求1所述的熱電器件，其特徵在於，其包括熱橋(38)，所述熱橋(38)將所述冷側連接至能夠從外部到達的帶。
9.如權利要求1所述的熱電器件，其特徵在於，所述熱源是在斬波模式中操作的電晶體。
10.如權利要求4或8所述的熱電器件，其特徵在於，所述熱橋(36、38)包括布置在所述器件的一端周圍但不與所述器件電接觸的通孔。
全文摘要
本發明涉及使用半導體技術的集成熱電器件，包括布置在熱源附近的熱側(Th)、以及冷側(Tc)，輸出取決於所述熱側與所述冷側之間的溫度差的信號(U)。布置所述熱側和所述冷側，以使得當所述熱源的溫度變化時(換言之，當傳感器具有較差的操作條件時)，它們的溫度趨於相等。測量電路根據所述信號的從所述熱源的溫度變化的時間(t0)起的連續可變的部分(t0-t1)，提供有用信息。如果熱源的溫度停止變化，則熱側和冷側的溫度最終相等，並且該信號被取消並停止變化。熱側與冷側之間的距離可以小於100μm。
文檔編號H01L35/32GK102598328SQ201080043429
公開日2012年7月18日 申請日期2010年7月26日 優先權日2009年7月29日
發明者D.柯廷, G.薩維利, M.普利桑尼爾, V.雷蒙迪爾 申請人:St-埃裡克森(格勒諾布爾)公司, 原子能和代替能源委員會