具体实施方式
下面参照附图具体地描述本发明的优选实施例。首先讨论本发明的第一实施例。图1是表示本发明第一实施例半导体集成电路器件的截面图,图2是表示图1所示半导体集成电路的温度传感器区的等效电路图。图3是表示氧化钒电阻率的温度依赖特性曲线图,示出横坐标为温度,纵坐标为氧化钒的电阻率。本实施例的半导体集成电路器件形成在单独一片硅片上。
如图1所示,本实施例的半导体集成电路器件1包括:P型硅基片Psub;形成于该P型硅基片Psub上的多层布线层M1;形成于该多层布线层M1上的绝缘层15;以及形成于该绝缘层15上的薄片层16。多层布线层M1是多个布线层和多个绝缘层交替叠置的叠层。与多层布线层M1的布线层不同,薄片层16上没有普通的布线。半导体集成电路器件1上设置逻辑电路区2,它由P型硅基片Psub顶部表面和多层布线层M1两者的预定区域构成。半导体集成电路器件1还设置温度传感器区3,它由P型硅基片Psub顶部表面、多层布线层M1中未形成逻辑电路区2的区域、绝缘层15和薄片层16构成。
在逻辑电路2中设置比如CMOS(互补金属氧化物半导体)电路4。在CMOS电路4中,在P型硅基片Psub的顶部表面形成N型阱NW1和P型阱PW1,使之彼此相邻。在N型阱NW1的顶部表面处,彼此分开地形成两个p+扩散区P1和P2,它们构成源/漏区。在P型阱PW1的顶部表面处,彼此分开地形成两个n+扩散区N1和N2,它们构成源/漏区。在N型阱NW1的p+扩散区P1和P2之间形成沟道区5,在P型阱PW1的n+扩散区N1和N2之间形成沟道区6。
在多层布线层M1的包括直接位于沟道区5和6上方的区域在内的区域那里,设置栅极绝缘层(未示出);在直接位于沟道区5和6上方的区域,分别设置比如由多晶硅制成的栅极G1和G2。栅极G1和G2共同连到栅极接线端Vg。沟道区5,作为源/漏区的p+扩散区P1和P2、栅极绝缘层和栅极G1形成P型MOS晶体管。沟道区6、作为源/漏区的n+扩散区N1和N2、栅极绝缘层和栅极G2形成N型MOS晶体管。
在多层布线层M1的p+扩散区P1上设置通孔V1,使之与p+扩散区P1相连,并在通孔V1上设置布线W1,使之与通孔V1相连。在布线W1上设置通孔V2,使之与布线W1相连,并在通孔V2上设置电源电位布线Vcc,使之与通孔V2相连。因而,p+扩散区P1通过通孔V1,布线W1和通孔V2与电源电位布线Vcc相连。
在多层布线层M1中的p+扩散区P2上设置通孔V3,使之与p+扩散区P2相连,而在n+扩散区N1上设置通孔V4,使之与n+扩散区N1相连。在通孔V3和V4上设置布线W2,使之与通孔V3和V4相连。在布线W2上设置通孔V5,使之与布线W2相连,并在通孔V5上设置布线W3,使之与通孔V5相连。因而,p+扩散区P2和n+扩散区N1通过通孔V3和V4,布线W2和通孔V5与布线W3相连。
此外,在多层布线层M1中的n+扩散区N2上设置通孔V6,使之与n+扩散区N1相连,并在通孔V6上设置布线W4,使之与通孔V6相连。在布线W4上设置通孔V7,使之与布线W4相连,并在通孔V7上设置地电位布线GND,使之与通孔V7相连。因而,n+扩散区N1通过通孔V6、布线W4和通孔V7与电源电位布线GND相连。
在P型硅基片Psub的顶部表面没有形成N型阱NW1和P型阱PW1的区域处形成p+扩散区P3。在多层布线层M1中的p+扩散区P3上沿从底到顶的方向依次设置通孔V8、布线W5、通孔V9和地电位布线GND,p+扩散区P3通过所述通孔V8、布线W5、通孔V9与地电位布线GND相连。
逻辑电路区2执行比如算术及存储操作过程。逻辑电路区2根据温度传感器区3所做的测量结果进行数据处理的电路。逻辑电路区2设有除CMOS电路4之外的其他元件,这在图1中并未示出。
在P型硅基片Psub的顶部表面位于温度传感器区3内的一部分处,形成p+扩散区P4。在多层布线层M1的p+扩散区P4上设置通孔V11,使之与p+扩散区P4相连,并在通孔V11上设置布线W11,使之与通孔V11相连。在布线W11上设置通孔V12,使之与布线W11相连,并在通孔V12上设置布线W11,使之与通孔V12相连。在绝缘层15落在布线W12上的那部分设置通孔V13,使之与布线W12相连。
此外,在薄片层16落在通孔13的那部分设置温度监视元件8。也就是在多层布线层M1上方提供温度监视元件8。从垂直于P型硅基片Psub顶部表面的方向看,温度监视元件8的形状具有四边形薄片状,它的一边长度比如为10到100μm,厚度比如为0.1到0.2μm。温度监视元件8的相对两边分别设有电极(未示出),电极之一与通孔V13相连。
由其电阻率为负温度系数的材料,如氧化钒制成温度监视元件8。氧化钒的稳定化合物比如是VO2和V2O5,并且用化学式VOx表示氧化钒,其中x约为2。硅片上的氧化钒在比如25℃温度时的体积电阻率为0.01到10(Ω·cm),根据制造方法不同,温度系数约为-2.0(%/K)。如图3所示,氧化钒电阻率的温度依赖特性是非线性的。温度越高,电阻率越低。另外,温度越高,电阻率的温度系数绝对值越小,也即图3所示曲线斜率的绝对值越小。例如,温度监视元件8的电阻是几千到几万欧姆,例如25kΩ。
在绝缘层15落在温度监视元件8之下的那部分设置通孔V14,使之与温度监视元件8的另一电极(未示出)相连。在多层布线层M1落在通孔V14之下的那部分设置布线W13,使之与通孔V14相连。将输出端Vout1与布线W13相连。在布线W13下面设置通孔V15,使之与布线W13相连,并在通孔V15下面设置温度监视元件9。
由电阻率具有正温度系数的材料,如钛(Ti)制成温度监视元件9。温度监视元件9的电阻率的温度依赖特性近似为线性,而且,比如电阻率的温度系数为+0.3(%/K)。将温度监视元件9的电阻设置得与温度监视元件8的电阻近似相同,例如为几千到几万欧姆,如25kΩ。沿垂直于P型硅基片Psub顶部表面的方向看,温度监视元件9的形状具有四边形薄片状,它的一边长度比如为1到100μm,厚度比如为0.1到0.3μm。温度监视元件9的相对两边分别设有电极(未示出),电极之一与通孔V15相连。温度监视元件9被设在与布线W1,W2,W4,W5和W11相同的一层。
此外,在温度监视元件9上设置通孔V18,使之与温度监视元件9的另一电极(未示出)相连。在通孔V18上设置电源电位布线Vcc,使之与通孔V18相连。
也即通孔V11、布线W11、通孔V12、布线W12、通孔V13、温度监视元件8、通孔V114、布线W13、通孔V15、温度监视元件9和通孔V18按从p+扩散区P4向电源电位布线Vcc的指定顺序依次串联连接。p+扩散区P4通过P型硅基片Psub、p+扩散区P3、通孔V8、布线W5和通孔V9连接到逻辑电路区2的地电位布线GND。
如图2所示,以上述方式构成本实施例半导体集成电路器件1,在温度传感器区3内形成具有温度监视元件9和温度监视元件8的电路,从电源电位布线Vcc向地电位布线GND以指定顺序串联连接在一起。因而,温度监视元件8的一端加有地电位,它的另一端通过布线W13连接到温度监视元件9的一端。温度监视元件9的另一端加有电源电位。输出端Vout1与位于温度监视元件9和温度监视元件8之间的接点相连。
在多层布线层M1中,通孔V1、V3、V4、V6、V8和V11位于设有栅极栅极G1和G2的第一绝缘层内。布线W1、W2、W4、W5和W11以及温度视元件9位于设在第一绝缘层上的第一布线层内,并且通孔V2、V5、V7、V9、V12、V15和V18位于设在第一布线层上的第二绝缘层内。每个地电位布线GND,每个电源电位布线Vcc以及布线W3、W12和W13位于设在第二绝缘层上的第二布线层内。通孔V13和V14位于设在多层布线层M1上的绝缘层15内。温度监视元件8位于设在绝缘层15上的薄片层16处。多层布线层M1、绝缘层15和薄片层16排除各个通孔、各个布线和温度监视元件8和9之外的那些部分,以及温度监视元件8的上层,都被埋置于绝缘材料7中。由比如钨(W)形成这些通孔,并由比如铝(Al)形成各布线
如上所述,逻辑电路区2是设在半导体集成电路器件1的P型硅基片Psub和多层布线层M1处的,而不是设在位于多层布线层M1上方的绝缘层15和薄片层16处。温度传感器区3的温度监视元件8设在薄片层16处。
现在参照图1讨论半导体集成电路器件1的制造方法。本实施例中,在通过常规方法,在P型硅基片Psub顶部表面形成N型阱NW1和P型阱PW1以及n+扩散区N1和N2与p+扩散区P1到P4之后,从底层到顶层形成多层布线层M1。这时,在与布线W1、W2、W4、W5和W11同一层形成所述温度监视元件9。然后,在多层布线层M1上形成绝缘层15,并且在绝缘层15内形成通孔V13和V14。之后,通过溅射法在绝缘层15上形成氧化钒层,并且将其图案化,以便形成温度监视元件8。接着,将温度监视元件8埋置于绝缘材料7内,由此形成薄片层16。这样就完成了本实施例所述半导体集成电路器件1的制造过程。
下面将讨论本实施例具有上述结构的半导体集成电路器件1的工作情况。当在地电位布线GND上加给地电位并在电源电位布线Vcc上加给电源电位时,输出端Vout1取得一个位于地电位和电源电位之间的电位值,这个值是由温度监视元件8的电阻和温度监视元件9的电阻确定的分压电位。当外部温度升高或者由于驱动后的逻辑电路区2产生的热量而导致半导体集成电路器件1的温度升高时,温度监视元件8和9的温度也升高,使温度监视元件8的电阻降低,而温度监视元件9的电阻增加。因为构成温度监视元件8的氧化钒它的电阻率温度系数比如是-2.0(%/K),而这时构成温度监视元件9的Ti它的电阻率温度系数比如是+3.0(%/K),当温度升高1℃时,输出端Vout1的电位以-2.3(%/K)的比率改变。于是,通过探测输出端Vout1的电位测量半导体集成电路器件1的温度。
根据所测温度的结果对逻辑电路区2进行控制。例如,当所测温度超过预定值,就判断逻辑电路区2过热,从而停止对逻辑电路区2的驱动。显然,在本实施例中,温度监视元件8和9被用作分压电阻。
在本实施例中,温度监视元件8设在位于多层布线层M1上方的薄片层16内,而逻辑电路区2并不设在薄片层16而是设在落在薄片层16之下的布线层处,因而逻辑电路区2不会受到氧化钒的污染。制造P型硅基片Psub和多层布线层M1的半导体制造设备也不会受污染。可将现有的麦克罗斯碱性耐火制品(macros)用于逻辑电路区2。因为是在形成逻辑电路区2之后形成温度监视元件8的,所以,可以采用常规制造工艺形成逻辑电路区2。因此,相对于逻辑电路区2,不必改变现有的平台。这能够抑止因提供温度监视元件8而造成的制造成本的增加。
氧化钒的电阻率的温度系数约为-2.0(%/K),而钛的电阻率的温度系数大约为+0.3(%/K),因而当温度监视元件8和9的电阻彼此近似相等时,输出端Vout1电位变化的绝对值约为-2.3(%/K)。由于这个值比寄生pn结二极管的电阻率的温度系数0.2(%/K)大得多,因此能够在测量温度时获得很高的SNR。因为氧化钒的化学性质稳定,所以可以提高温度传感器区3的可靠性。这致使半导体集成电路器件1的可靠性得以提高。
根据温度传感器区3的温度测量结果,可充分控制逻辑电路区2。例如,可以防止逻辑电路区2由于过热而遭到损坏。
尽管在上述实施例中由Ti形成温度监视元件9,但本发明并不限于这种特定情形。通常,金属或者合金的电阻率呈正温度系数,所以能够将它们用作构成温度监视元件9的材料。例如,除了Ti外,优选从一组铝(Al),镍(Ni),钨(Wu),钽(Ta)和铍(Be)中选择的一种金属,或者金属合金,或者实质上包含从这组金属中选择的一种或两种金属的合金。如果温度监视元件9是由Al形成的,则在比如由A1形成布线W1、W2、W4、W5和W11时,可在形成布线W1、W2、W4、W5和W11的同时形成温度监视元件9。作为选择,可由TiN形成所述温度监视元件9。
尽管在本实施例中温度监视元件9设在多层布线层M1的最底下布线层处,但本发明不限于这种情形。可将温度监视元件9形成在任何布线层处,只要它在多层布线层M1内即可。
由于构成温度监视元件8的氧化钒的电阻率的温度依赖特性是非线性的,因此可将输出端Vout1电位的温度依赖性设定得,使之在测量温度范围内更大些。
尽管在本实施例中,使温度传感器区3形成在与形成逻辑电路区2的区域不同的区域处,但是在本发明中,也可以将温度监视元件8直接形成在位于逻辑电路区2上方区域的至少一部分处。也即可将逻辑电路区2的至少一部分设在直接位于温度监视元件8之下的一个区域处。这可以确保直接位于温度监视元件8之下的那个区域得到有效的利用,从而减小了所需空间,并且减小了半导体集成电路器件1的布局区域。这能够对器件的微型化有所贡献。
可将温度传感器区3形成在半导体集成电路器件1形成的芯片的一个位置处,或者可以分别形成在该芯片的多个位置。例如,可以在芯片的中心和四个角落,也即总共五个位置形成温度传感器区3。当温度传感器区3分别设在多个位置,并计算各个温度传感器区3的测量的平均值,因此能使温度测量的精度得到进一步提高。
尽管在本实施例中设置单独一个温度监视元件8和单个温度监视元件9,但是本发明不限于这种情形,可以设置多个温度监视元件8和多个温度监视元件9。在这种情况下,尽管优选在半导体集成电路器件1的最顶层设置多个温度监视元件8,但也可将这些温度监视元件8分别设置在半导体集成电路器件1的最顶层和位于该最顶层之下的那些层处,以便减小布局区域。不过,在这种情况下,应该将温度监视元件8设置在多层布线层M1的设有逻辑电路区2的上方。此外,对多层布线层M1中布线层和绝缘层的数量没有特别限制。
下面将讨论第一实施例的改型。图4是表示氮化钛(TiN)电阻率的温度依赖特性曲线图,图中横坐标为温度,纵坐标为氮化钛的电阻率。在这种改型例中,温度监视元件9是由TiN形成的,并且如图4所示,TiN的电阻率的温度依赖特性为线性的。也即温度越高,TiN的电阻率越大,但电阻率温度系数的斜率与温度无关,为几乎恒定的正值。此改型例的其他结构、工作情况和效果与第一实施例中的情况一样。
现在将描述本发明的第二实施例。图5是表示第二实施例半导体集成电路器件的截面图。如图5所示,本实施例的半导体集成电路器件11设置它由钛酸锶钡(BST)或者钛酸钡制成的温度监视元件10,以代替温度监视元件9(见图1)。温度监视元件10设在布线W1、W2、W4、W5和W11下面。
也就是说,在通孔V15下方设置布线W14,使之与通孔V15相连,并在布线W14下方设置通孔V16,使之与布线W14相连。在通孔V16下方设置温度监视元件10,并使温度监视元件10的一端与通孔V16相连。在温度监视元件10上设置通孔V17,温度监视元件10的另一端连接到通孔V18。在通孔V17上设置布线W15,使之与通孔V17相连,并与通孔V18相连。本实施例的其他结构和工作情况与第一实施例中的一样。
可以用化学式Ba1-xSrxTiO3表示钛酸锶钡或钛酸钡,其中x为等于或大于0并小于1的值。当x=0时,就是钛酸钡。以下,把钛酸锶钡和钛酸钡统称为BST。BST薄膜的电阻率温度系数比如是+2.0(%/K),它随薄膜的组分或x值以及沉积方法而不同。
在制造本实施例半导体集成电路器件11的过程中,是在形成布线W1、W2、W4、W5和W11之前形成BST温度监视元件10的。形成温度监视元件10后,再形成通孔V16和V17,使之与温度监视元件10的两个端部相连。然后,形成布线W1、W2、W4、W5和W11,同时也形成布线W14和W15。本实施例的其他制造方法与第一实施例一样。
由于在本实施例中,温度监视元件10是由BST形成的,其电阻率比起Ti来具有更大的温度系数,因此相比于第一实施例,能使温度测量的精度提高得更多。由于BST膜的沉积温度较高,比如550℃,在形成Al布线之后形成温度监视元件10时可能就会不利地影响这些布线。然而,在本实施例中,因为温度监视元件10是在布线之前形成的,所以温度监视元件10不会对这些布线有不利的影响。本实施例的其他效果与第一实施例中的一样。