CN100369250C - 半导体集成电路 - Google Patents
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Abstract
一种半导体集成电路，包括：半导体衬底；热产生电路元件，其在半导体衬底上按多层结构形成，并且在产生相对高温度的热量的同时，执行预定操作；多个温度相关的电路元件，每一个都在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，根据热产生电路元件的温度来执行预定的操作，并且每一个都具有在温度相关的特性上彼此恒定的关系；热传导层，其具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并至少连续覆盖热产生电路元件的热产生部分和多个温度相关的电路元件，以将由热产生电路元件产生的热量传导到多个温度相关的电路元件。按照该结构，该半导体集成电路可以保持其所需的操作精度，而与温度上的改变无关。
Description
本发明基于在2003年9月2日提交的日本专利申请NO.2003-309718，其内容一并在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，该半导体集成电路包括：热产生电路元件，其产生相对较强的热量，以及执行预定操作；多个温度相关的电路元件，其显示出彼此特性上的恒定关系，同时根据其温度来执行预定操作。
背景技术
例如，在音频设备中，由于如果电源电路的输出电压变得不稳定，会使得声音再现的精度恶化，开关调节器、DC/DC控制器等用作电源电路。该类型的电源电路包括：功率晶体管，用于产生较大的输出功率；以及包括多个晶体管的控制电路，用于控制功率晶体管。广泛地使用了在其中具有一起形成的功率晶体管和控制电路的单个芯片中所设置的半导体集成电路。
图5示出了由传统半导体集成电路形成的电源电路的布局。如图5所示，传统半导体集成电路在硅片1上具有：功率晶体管2；一对晶体管3和4，形成了过热保护电路的一部分以保护功率晶体管2免于过热；以及一对晶体管5和6，形成了控制电路的一部分以调节功率晶体管2。
过热保护电路按照以下方式设置，以使其包括：比较器，用于检测从功率晶体管2中产生的温度。该比较器将参考电压与随温度波动的输入电压进行比较。用于控制电路的晶体管5和6形成了电流镜像电路，用于执行控制以便稳定功率晶体管2的输出电压。
现在，在如上所述配置的半导体集成电路中，当通过热传导将功率晶体管2中释放的热量传导到晶体管3、4、5和6时，功率晶体管2的操作精度可能会恶化，这是由于与其它电路元件相比，功率晶体管2产生相对较强的热量。
形成比较器的一对晶体管3和4中的每一个具有彼此相同的特性。如果晶体管3和4离功率晶体管2的热产生源的距离彼此不同，则晶体管3和4的温度变得彼此不同。结果，晶体管3和4的特性将彼此不同，引起了前述的结果。
因此，这里出现了其中使用了具有彼此不同特性的晶体管3和4的相同的情况。因此，降低了比较器的精度，并妨碍过热保护电路执行其保护功率晶体管2免于过热的初始功能，由于过热，可能会毁坏半导体集成电路。
此外，形成电流镜像电路的一对晶体管5和6中的每一个具有彼此相同的特性。如果晶体管5和6离功率晶体管2的热产生源的距离彼此不同，则晶体管5和6的温度变得彼此不同。因此，晶体管5和6的特性将彼此不同。
因此，这里出现了其中使用了具有彼此不同特性的晶体管5和6的相同的情况。因此，阻止电流镜像电路执行其初始功能，从而降低了用于控制功率晶体管2的控制电路的精度。结果，功率晶体管2的输出电压变成不稳定，例如，引起了音频设备的声音再现精度的恶化。
如上所述，在包括有产生了大量热量的功率晶体管的半导体集成电路中其中需要高精度的比较器在其的操作上受到热量的影响。这样的原因之一在于：在半导体集成电路的布局中到功率晶体管的距离、或用作半导体集成电路的材料的导热性。因此，在半导体集成电路中，由于当比较器等的统一操作由于热量而发生变化时所导致的阈值电压中的变化，产生了偏移电压。由于这个原因，应该适当注意其布局来设计半导体集成电路。
为了解决上述缺陷，根据在日本专利登记No.3400098中所述的传统技术，通过确定其相对于热量源元件的距离和/或方向来设置每一个温度相关的元件，从而两个或多个温度相关的元件在特性上保持恒定的关系，即使在两个或多个温度相关的元件的温度发生了改变的情况下。结果，两个或多个温度相关的元件在特性上保持彼此恒定的关系，而与由热量源元件所产生的热量无关。
然而，可能的是，由于环境因素的变化，未必能保持二个或多个温度相关的元件中特性上的恒定关系，因此，所需的操作精度将会恶化。此外，为了尝试解决这些缺陷，相反，对电路元件的布局设计施加了限制。
发明内容
本发明的一般目的是提出一种解决了前述问题的半导体集成电路。本发明更明确的目的是提供一种即使当温度相关的电路元件的特性根据将热产生电路元件和温度相关的电路元件混合在一起的电路中的温度变化而发生变化时，仍能够保持操作的设计精度，而不会限制其中所设置的电路元件的布局。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，一种半导体集成电路包括：半导体衬底；热产生电路元件，在半导体衬底上按多层结构形成，并且在产生相对较高温度的热量的同时，执行预定的操作；多个温度相关的电路元件，每一个均在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，用于根据热产生电路元件的温度来执行预定的操作，所述电路元件的每一个均具有在温度相关的特性上彼此恒定的关系；以及热传导层，具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并至少连续覆盖热产生电路元件的热产生部分和多个温度相关的电路元件，从而将由热产生电路元件所产生的热量传导到多个温度相关的电路元件，其中，所述热传导层与所述热产生电路元件和所述多个温度相关的电路元件中的任一个电分离。
按照该结构，由于用具有高于半导体衬底的传导性的传导性的材料的层覆盖了热产生电路元件和温度相关的电路元件，由热产生电路元件产生的热量被有效和快速地传导到温度相关的电路元件。由此，例如，如果温度相关的电路元件的目的是保护热产生电路元件免于过热，温度相关的电路元件可以快速和精确地检测热产生电路元件的过热温度，以便保护热产生电路元件免于过热，从而针对过热，增强了半导体集成电路的可靠性。
根据本发明的另一方面，一种半导体集成电路包括：半导体衬底；热产生电路元件，在半导体衬底上按多层结构形成，并且在产生相对高温度的热量的同时，执行预定的操作；多个温度相关的电路元件，每一个均在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，并在执行预定的操作的同时，保持在温度相关的特性上彼此恒定的关系；以及热传导层，具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并连续覆盖多个温度相关的电路元件，从而将多个温度相关的电路元件的每一个的温度均匀地传导和分配到多个温度相关的电路元件的每一个。
按照该结构，由于用具有高于半导体衬底的传导性的传导性的材料的层覆盖了温度相关的电路元件，热量在温度相关的电路元件中均匀地传导和分配。因此，保持了温度相关的电路元件的特性上的恒定关系。这能够减少操作中由热量引起的变化。因此，能够保持操作的所需精度，而与温度的变化无关。
根据本发明的另一方面，一种半导体集成电路包括：半导体衬底；热产生电路元件，在半导体衬底上按多层结构形成，并且在产生相对高温度的热量的同时，执行预定的操作；多个第一温度相关的电路元件，每一个均在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，并根据热产生电路元件的温度来执行预定的操作，并且每一个电路均具有在温度相关的特性上彼此恒定的关系；多个第二温度相关的电路元件，每一个均在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，并在执行预定的操作的同时，保持在温度相关特性上彼此恒定的关系；第一热传导层，该热传导层具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并至少连续地覆盖热产生电路元件的热产生部分和多个第一温度相关的电路元件，从而将由热产生电路元件产生的热量传导到多个第一温度相关的电路元件；以及第二热传导层，具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并连续覆盖多个第二温度相关的电路元件，从而将多个第二温度相关的电路元件的每一个的温度均匀地传导和分配到多个第二温度相关的电路元件的每一个，其中，所述第一和第二热传导层与所述热产生电路元件、所述多个第一温度相关的电路元件和所述多个第二温度相关的电路元件中的任一个分离。
按照该结构，由热产生电路元件释放的热量被有效和快速地传导到第一温度相关的电路元件。由此，例如，如果第一温度相关的电路元件目的是用于保护热产生电路元件免于过热，第一温度相关的电路元件可以快速和精确地检测热产生电路元件的过热温度，以保护热产生电路元件免于过热，从而针对过热，增强了半导体集成电路的可靠性。同样，按照该结构，热量在第二温度相关的电路元件中均匀地传导和分配。因此，保持了第二温度相关的电路元件的特性上的恒定关系。能够减小将由热量引起的操作上的变化。因此，能够保持操作的所需的精度，而与温度的变化无关。
附图说明
从参考附图结合优选实施例的以下描述中，本发明的上述和其它目的和特点将变得更加清楚，其中，
图1是示出了具体实现了本发明的半导体集成电路的电路布局的第一实例的图；
图2是包括在该实施例的半导体集成电路中的N沟通MOS晶体管的横截面图；
图3是示出了具体实现了本发明的半导体集成电路的电路布局的第二实例的图；
图4是示出了具体实现了本发明的半导体集成电路的电路布局的第三实例的图；以及
图5是示出了在传统半导体集成电路中的电源电路的布局的图。
具体实施方式
下面，将参考附图来描述本发明的实施例。图1是示出了具体实现了本发明的半导体集成电路的电路布局的第一实例的图。该半导体集成电路在硅片1上设置有：功率晶体管2；一对晶体管3和4，形成了用于保护功率晶体管2免于过热的过热保护电路的一部分；以及一对晶体管5和6，形成了用于控制功率晶体管2的控制电路的一部分。
该过热保护电路按照以下方式设置，以使其包括：比较器，用于检测过热温度。该比较器将参考电压与当诸如该对晶体管3和4的温度相关的电路元件的特性根据温度发生变化时改变的输入电压进行比较，并输出所得到的电压。该控制电路包括：一对晶体管5和6，形成了用于控制功率晶体管2以使其输出电压稳定的电流镜像电路。用金层7覆盖功率晶体管2和该对晶体管3和4。另外，用金层8覆盖该对晶体管5和6。
金的导热性高于形成了热传导的通道的硅的导热性。因此，由功率晶体管2产生的热量有效地传导到晶体管3和4。按照该布置，包括晶体管3和4的过热保护电路可以精确且快速地检测功率晶体管2的过热温度，从而保护功率晶体管2免于过热，由此，针对过热保护，导致了半导体集成电路的增强的可靠性。
现在，由于晶体管5和6形成了与通过检测功率晶体管2的温度来防止过热的电路不同的控制电路，因此，不需要快速且精确地传递来自功率晶体管2中的热量，如利用金层7所实现的那样。在这种情况下，只要在晶体管5和6之间的关系针对其温度保持恒定，就有可能实现精确的控制。由此，用金层8覆盖晶体管5和6。按照上述布置，热量被均匀地传导和分配到晶体管5和6。这能够在晶体管5和6之间保持特性上的恒定关系，并防止由于变化的温度而引起的操作中的变化。因此，半导体集成电路可以其操作时的设计精度，而与由于功率晶体管2所引起的温度改变无关，有助于增加半导体集成电路的总精度。
尽管通过采用诸如形成了电流镜像电路的一对晶体管的晶体管5和6描述了本实例，但是本发明也可应用于两个或多个温度相关的电路元件，所述温度相关的电路元件形成了其中需要高操作精度、并且应该在元件之间保持温度相关的特性上的恒定关系的电路。在该实例中，尽管仅示出了功率晶体管2、晶体管3和4、以及晶体管5和6，实际上，在硅片1上也可布置多个其它的电路元件。此外，在硅片1上的电路元件的布局设计并不特别局限于图1中所示的情况。
当热量Q(W)正在经由具有导热率λ(W/m.K)的材料传导时的温度差ΔT可以由下列公式来获得。
T＝T1-T2＝(Q/λ).(L/S)(℃)
这里，S是热传导材料的横截面积(m2)，L是通过其传导热量的距离(m)。根据该公式可以理解，为了使温度差ΔT较小，即，为了快速地传递热量，需要利用具有更高导热率λ的材料。在硅的情况下，导热率λ是157W/m.K，在金的情况下，导热率λ是319W/m.K。这表示，由于金的导热率大约是硅的导热率的两倍，在本实施例的半导体集成电路中相对于变化的温度的稳定性的增加预计为大约二倍。
图2是包括在本实施例的半导体集成电路中的N沟通MOS晶体管的横截面图。在图2中，参考数字21表示P型硅片(衬底)；参考数字22表示场氧化层；参考数字23表示氧化物多晶硅；参考数字24表示层间绝缘层；参考数字25表示源极；参考数字26表示漏极；参考数字27表示栅极；参考数字28表示铝电极；参考数字29表示由二氧化硅制成的层间绝缘层；参考数字30表示还充当保护和绝缘层的等离子体氮化层；以及参考数字31表示用于增加导热率的金层。
在该实施例中，形成半导体集成电路的N沟道MOS晶体管的主要特点在于，在等离子体氮化层30的顶面上，即在最上面的保护和绝缘层的表面的顶部设置了金层。另外，除了通过硅片21传导热量之外，也通过作为最上面的层设置的、并且具有高导热率的金层31来传导热量。因此，能够快速和均匀地传导热量。同时，也能够保护和增强半导体集成电路。
图3是示出了具体实现了本发明的半导体集成电路的电路布局的第二实例的图。该半导体集成电路硅片1上设置有：功率晶体管2；一对晶体管3和4，形成用于保护功率晶体管2免于过热的过热保护电路的一部分；以及一对晶体管5和6，形成了用于控制功率晶体管2的控制电路的一部分。
该过热保护电路按照以下方式配置，以使其包括：比较器，用于检测过热温度。该比较器将参考电压与当诸如一对晶体管3和4的温度相关的电路元件的特性根据温度而发生变化时所改变的输入电压进行比较，并输出所得到的电压。该控制电路包括：该对晶体管5和6，形成了用于控制功率晶体管2以使其输出电压稳定的电流镜像电路。用金层9覆盖功率晶体管2和该对晶体管3和4。另外，用金层8覆盖该对晶体管5和6。
在该实例中示出了以下情况，其中，功率晶体管2的热产生部分集中在图3中所看到的右侧上，并布置了金层9，以覆盖在功率晶体管2的右侧上的相应部分。如所示的，如果在热产生电路元件的特定部分产生了热量，则不需要全部覆盖功率晶体管2。因此，在该实例中，获得了与图1所示的第一实例类似的结果，并减小了金层9的面积，从而节省了金。
图4是示出了具体实现了本发明的半导体集成电路的电路布局的第三实例的图。该半导体集成电路硅片1上设置有：功率晶体管2；一对晶体管3和4，形成了用于保护功率晶体管2免于过热的过热保护电路的一部分；以及一对晶体管5和6，形成了用于控制功率晶体管2的控制电路的一部分。
该过热保护电路按照以下方式配置，以使其包括：比较器，用于检测过热温度。该比较器将参考电压与当诸如一对晶体管3和4的温度相关的电路元件的特性根据温度发生变化时所改变的输入电压进行比较，并输出所得到的电压。该控制电路包括：该对晶体管5和6，形成了用于控制功率晶体管2以使其输出电压稳定的电流镜像电路。用金层10覆盖功率晶体管2和该对晶体管3和4。另外，用金层8覆盖该对晶体管5和6。
按照该实例，与在第一和第二实例中所示的晶体管3和4相比，使该对晶体管3和4位置更靠近功率晶体管2。在该布局中，热量是从功率晶体管2中充分传导的，而不使用金层。然后，如果在晶体管3和4的温度之间存在变化，则操作精度会发生恶化。由此，金层10未覆盖功率晶体管2，只覆盖了晶体管3和4。通过用金层10覆盖晶体管3和4，使热量在晶体管3和4之间均匀分配。
如果晶体管3和4不是如第一和第二实例所描述的那样通过检测功率晶体管2的温度而不操作的晶体管，并且将保持晶体管3和4之间的温度相关特性上的恒定关系，如应用于晶体管5和6那样，则，可以设置金层10单独覆盖晶体管3和4，而不覆盖功率晶体管2，从而使热量在晶体管3和4之间均匀分配。按照该布置的结果，保持了在晶体管3和4之间特性上的恒定关系，从而可以防止由热量引起的操作上的改变。因此，该半导体集成电路可以保持操作上的设计精度，有助于提高操作上的总体精度。由于一对晶体管5和6也用金层8覆盖，可以实现同样的效果。
上述全部实例涉及专设计用来覆盖电路元件的金层。然而，不仅限于金层，如果这样做不妨碍连接，也能够电隔离和使用用于连接电路元件的接线层的一部分，代替前述的金层。在这种情况下，如果布线层不是形成最上面的层，可以略微降低保护和增强半导体集成电路的程度。然而，由于该方法有助于节省前述的金和不需要额外的金层，能够简化半导体集成电路的结构，并且以较低成本制造其。还能够使用诸如具有高于硅的导热率并且比金便宜的银、铝、铜、钨的其它材料代替金。在这种情况下，可以以较低的成本来制造半导体集成电路。
作为覆盖如功率晶体管2这样的热产生电路元件的金层将至少覆盖热产生电路元件的热产生部分。当金层覆盖形成了诸如一对晶体管3和4、晶体管5和6的温度相关的电路元件时，在相同条件下，在所述对中的元件应该接收到充分的热量。由此，至少该对中的元件应该用连续的金层来覆盖，以及至少形成每一个元件的所有部分应该用金层完全覆盖。还要注意的是，用于传导热的金层或由其它材料制成的层没用与电路元件电连接，以消除由在电连接部分上的热量造成的不利影响。
显而易见，根据上述教导，本发明的许多修改和变化均是可行的。因此，应该意识到，本发明不限于如上所述的实施例，并且在所附权利要求的范围内，可以按除了所具体描述之外的其他方式来实施本发明。
Claims (8)
1.一种半导体集成电路，包括：
半导体衬底；
热产生电路元件，在半导体衬底上按多层结构形成，并且在产生相对较高温度的热量的同时，执行预定的操作；
多个温度相关的电路元件，每一个均在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，用于根据热产生电路元件的温度来执行预定的操作，所述电路元件的每一个均具有在温度相关的特性上彼此恒定的关系；以及
热传导层，具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并至少连续覆盖热产生电路元件的热产生部分和多个温度相关的电路元件，从而将由热产生电路元件所产生的热量传导到多个温度相关的电路元件，
其中，所述热传导层与所述热产生电路元件和所述多个温度相关的电路元件中的任一个电分离。
2.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，
所述热产生电路元件是功率晶体管，以及
所述多个温度相关的电路元件是晶体管，形成了用于通过检测功率晶体管的温度状况来保护功率晶体管免于过热的过热保护电路。
3.根据权利要求2所述的半导体集成电路，其特征在于，所述过热保护电路包括：比较器，用于接收根据功率晶体管的温度状况而变化的电压，作为一个输入，并且接收参考电压，作为另一输入。
4.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于
所述热传导层为在多层结构中作为最上面的层而形成的金层。
5.一种半导体集成电路，该半导体集成电路包括：
半导体衬底；
热产生电路元件，在半导体衬底上按多层结构形成，并且在产生相对高温度的热量的同时，执行预定的操作；
多个第一温度相关的电路元件，每一个均在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，并根据热产生电路元件的温度来执行预定的操作，并且每一个电路均具有在温度相关的特性上彼此恒定的关系；
多个第二温度相关的电路元件，每一个均在半导体衬底上的预定的位置处按多层结构形成，并在执行预定的操作的同时，保持在温度相关特性上彼此恒定的关系；
第一热传导层，该热传导层具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并至少连续地覆盖热产生电路元件的热产生部分和多个第一温度相关的电路元件，从而将由热产生电路元件产生的热量传导到多个第一温度相关的电路元件；以及
第二热传导层，具有高于半导体衬底的导热率的导热率，并连续覆盖多个第二温度相关的电路元件，从而将多个第二温度相关的电路元件的每一个的温度均匀地传导和分配到多个第二温度相关的电路元件的每一个，
其中，所述第一和第二热传导层与所述热产生电路元件、所述多个第一温度相关的电路元件和所述多个第二温度相关的电路元件中的任一个分离。
6.根据权利要求5所述的半导体集成电路，其特征在于，
所述热产生电路元件是功率晶体管；
所述多个第一温度相关的电路元件是晶体管，形成了通过检测功率晶体管的温度状况来保护功率晶体管免于过热的过热保护电路；以及
所述多个第二温度相关的电路元件是晶体管，形成了用于执行控制以使功率晶体管的输出电压稳定的控制电路。
7.根据权利要求6所述的半导体集成电路，其特征在于，所述过热保护电路包括：比较器，用于接收根据功率晶体管的温度状况改变的电压，作为一个输入，并且接收参考电压，作为另一输入；以及
所述控制电路包括电流镜像电路。
8.根据权利要求5所述的半导体集成电路，其特征在于，所述第一热传导层和第二热传导层为作为多层结构中最上面的层形成的金层。
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