CN102598328A - 使用半导体技术的热电器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用半导体技术的集成热电器件，包括布置在热源附近的热侧(Th)、以及冷侧(Tc)，输出取决于所述热侧与所述冷侧之间的温度差的信号(U)。布置所述热侧和所述冷侧，以使得当所述热源的温度变化时(换言之，当传感器具有较差的操作条件时)，它们的温度趋于相等。测量电路根据所述信号的从所述热源的温度变化的时间(t0)起的连续可变的部分(t0-t1)，提供有用信息。如果热源的温度停止变化，则热侧和冷侧的温度最终相等，并且该信号被取消并停止变化。热侧与冷侧之间的距离可以小于100μm。

Description

使用半导体技术的热电器件
技术领域
本发明涉及一种集成热电器件，特别涉及半导体技术中的塞贝克(Seebeck)效应器件。
背景技术
如今，许多集成电路包含内置的热传感器以提供关于电路的发热的信息。当传感器的温度到达阈值时，电源管理电路将例如能够停止功能、使时钟减慢、或者触发风扇。
目前用在集成电路中的热传感器通常是正向偏置的p-n结的形式。在二极管的端子处的电压指示结的温度。
这样的传感器呈现出消耗约20μA的恒流的缺点、以及最重要的是在阈值温度(估计为+/-20℃)上并非非常精确的缺点。虽然它们当前一般使用在移动设备中，但是，由于壳体中不断增加的功率耗散(这与更快或新的功能的并入有关)，使用这些传感器的局限性开始变得明显。
存在更精确且不消耗电流的自发(autonomous)传感器，称作塞贝克效应传感器。它们还被称为“热电偶”。这些热传感器是差动式的(differential)，并要求冷源和热源同时可用。
图1描绘了CMOS技术中具有塞贝克效应的集成差动传感器，如在Therminic 2005会议上公布的Eduardo Aldrete-Vidrio、Diego Mateo和JosepAltet的题目为“Differential Temperature Sensor in 0.35μm CMOS Technology”的文章中所描述的。
一些平行的传导条(bar)形成在硅衬底上。这些条的一端位于冷源的位置(level)处(在左侧)，而另一端位于热源的位置处(在右侧)。所述条通过金属化(metallization)10而电串联连接。奇数行的条12和偶数行的条14具有不同的特性，一者由多晶硅“poly1”制造，而另一者由多晶硅“poly2”制造或者通过衬底的p+注入而制造。因此，一些热电偶形成在金属化10的位置处，所述热电偶串联连接以便提高传感器的灵敏度。此布置也称为“热电堆”。
热电堆的长度为约500μm，而其宽度为约16μm。
在传感器的端子处的提供给测量电路15的电压U与处于热源侧的热电偶和处于冷源侧的热电偶(下面为了简化，我们将称为传感器的热和冷侧)之间的温度差成比例。比例系数自身与热电偶的数量成比例，并且与用于所述条的金属对的塞贝克系数成比例。
图2描绘了热电堆的热侧的温度Th响应于由热源耗散的理想功率步幅P的瞬时变化的示例。
温度Th逐渐增长并渐进地趋于与热动力学平衡对应的温度值。增长速率取决于热源的功率和热容量。最大值取决于热源除热的功率和能力。
在冷侧的温度Tc不变的情况下，传感器的端子处的电压直接指示热源的温度变化Th。
上述文章在表征芯片上的功能单元的热行为的上下文中描述了这种传感器，并且提出将其集成在专用于热表征的电路系列中。由于传感器的尺寸(约8000μm2)，其不能按原样用在具有典型尺寸为约150000μm2的热源(功率晶体管)的商用集成电路中(传感器将占功率晶体管的表面的5％)。
发明内容
已经觉察到了对既精确、又具有低消耗且具有使其适于用在商用集成电路中的尺寸的热传感器的需求。
为了满足此需求，特别提供了半导体技术中的集成热电器件，其包括布置在热源附近的热侧、以及冷侧，并提供根据热侧与冷侧之间的温度差的信号。以如下方式布置热侧和冷侧：当热源的温度变化时，即，当传感器处于差的操作条件时，它们的温度趋于相等(equal out)。测量电路根据信号从热源的温度变化的时间起的连续可变的部分，提供有用信息。如果热源的温度停止变化，则热侧和冷侧的温度最终相等，并且该信号被取消(annul)并停止变化。热侧与冷侧之间的距离可以小于100μm。
附图说明
依据下面对仅仅为了非限制性示例的目的而给出且通过附图说明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更加无疑地明显，其中：
图1(在前所述的)描绘了CMOS技术中的具有塞贝克效应的传统集成差动热传感器；
图2(在前所述的)描绘了在有利的情形中图1的类型的传感器中的温度响应于功率步幅的瞬时变化；
图3描绘了在冷侧Tc不能被认为是固定的情况下、图1的类型的传感器中的温度和电压响应于功率步幅的瞬时变化；
图4a、4b和4c描绘了在三个特定的操作模式下、小尺寸的差动热传感器中的温度和电压的瞬时变化；
图5描绘了布置在集成电路中的用以测量MOS功率晶体管的温度的小尺寸的差动热传感器；
图6描绘了能够被应用于小尺寸的差动热传感器的各种优化；以及
图7描绘了在小尺寸的差动热传感器的特定示例上测量的温度和电压的变化。
具体实施方式
为了受益于塞贝克效应热传感器或差动传感器的优点，在商用集成电路中，期望减小其总尺寸。由于传感器的宽度能够由该技术的各维度以及由使得能够实现所需灵敏度的结的数量决定，所以传感器的长度是唯一的自由度(latitude)。在当前技术中，此长度需要小于100μm，优选地小于50μm，即，比关于图1描述的传统传感器的长度小五到十倍。
然而，减小传感器的长度牵涉到使热源和冷源彼此更接近，这引起到目前为止还无法解决的缺点。
图3描绘了在不利的情形(非恒温的冷侧Tc)中、图1的类型的塞贝克效应热传感器的温度和端子处的电压U响应于施加在热源上的功率步幅P的变化的示例。这样的情形越不利，传感器的长度减小得越多。
热侧温度Th如图2中那样变化。然而，在热源的位置处产生的热通过传导而传递至冷源，由于取决于传感器的长度以及热源与冷源之间的材料的热特性的一定时滞，冷源的温度Tc从时间t1起开始增长。温度Tc的增长不及温度Th的增长快，这是因为热源的热在此源的周围扩散并且仅有一小部分扩散至冷源。取决于冷源的除热能力，温度Tc渐进地趋于热动力学平衡温度，其在所描绘的最坏情况下等于Th的最大值。
直到时间t1为止，传感器的端子处的电压U都跟随温度Th的变化。从时间t1起，当温度Tc开始增长时，随着温度Tc逼近温度Th，电压U开始向着0逐渐减小。由于当前技术中集成约50μm的传感器长度，电压U的此脉冲的持续时间是约几微秒。因此，传感器在几微秒之后变得不可操作，并且不能执行现有技术中所提及的测量。
事实上，如果更严密地分析与集成电路的功能单元对应的区域的发热现象，则可以观察到此区域在稳定条件下的温度建立在对其加热的各个器件(特别是构成功能单元的功率晶体管)的平均温度。这些功率晶体管通常操作在斩波模式中，也就是说，它们以高频率交替地呈现导通和截止阶段，所述导通和截止阶段分别对应于发热和冷却阶段。即使该区域的平均温度恒定，也可以看出功率晶体管的位置处的温度以斩波频率可觉察到地变化。
因为，为了使小尺寸的差动传感器可用，将其热侧放置为紧挨着为温度增长负责或者具有需要测量的温度增长的功率晶体管。将冷侧放置为远离该晶体管，优选地，放置在不受另一个功率晶体管影响并且如果可能靠近连接至电路的导电接地平面的接地器的区域中，以便受益于更大的热惯性。然后，代替在稳定条件下测量连续的温度差，测量温度差的瞬时幅度。
图4a描绘了在斩波导通阶段基本上等于温度Tc和Th在晶体管的导通之后到达相同水平所用的时间的情况下、传感器的热侧温度Th和冷侧温度Tc、以及在传感器的端子处的对应电压U的变化的示例。
在时间t0，晶体管导通，这对应于施加功率步幅P。从对应于该区域的平均温度的平衡温度T0开始，温度Th和Tc以及电压U如图3那样变化。
在时间t2，在温度Tc已经在其最大值与温度Th交汇并且电压U已经降回到0之后不久，晶体管截止。温度Th和Tc的趋势反转，这对于温度Th来说是立即的，而对于温度Tc来说具有时滞，该时滞与晶体管的导通阶段中的时滞相同。
电压U呈现一系列交替的正和负脉冲，所述脉冲的峰值能够容易地测量以确定晶体管的发热情况。电压U的峰值不直接表示由晶体管实现的温度增长，这是因为必须将冷源的温度增长加到此上。此峰值仍然代表温度差(Th-Tc)随时间的变化。
如果需要知道晶体管在导通阶段的末尾的温度增长，则可以从电压U在每个切换阶段的起始的曲线外推该温度增长，这是因为，只要冷侧温度Tc还未开始显著改变(时间t1)，电压U就直接代表热侧温度Th的变化。对于这样的外推的需求，由于信号U到达其峰值的事实，时间t1在信号U上是可识别的。
如果斩波频率减小，电压U的脉冲将具有基本上相同的幅度和样子，但是它们将间隔得更远。
图4b描绘了斩波频率比图4a的情况中更高的情形。在晶体管截止的时间t2，温度Th和Tc均未到达它们的最大值。热侧温度Th立即开始减小，渐进地趋于初始温度T0。另一方面，冷侧温度Tc(其以相对于温度Th的变化具有时滞的方式作出反应)在时滞时段期间继续增长，然后开始减小，渐进地趋于初始温度。所述变化在几个起动周期之后变为周期性的。
与温度Th和Tc的差成比例的电压U呈现对称的交替的样子。可以观察到信号的峰值比图4a的峰值低。当斩波频率从图4a的情形增长时，峰值减小，这显示出最大斩波频率限制，其是在考虑到传感器的各维度和系统的热惯性的情况下传感器可以观察的最大斩波频率限制。要被观察的晶体管应在图4的条件下或者在更低的斩波频率中操作。
图4c描绘了斩波占空比接近1的情形。晶体管的导通阶段对应于图4a的导通阶段，即，它们对于温度Th和Tc到达它们的最大值来说是足够长的。晶体管的截止阶段接近于冷侧温度Tc的变化的时滞。
在开始于时间t0的第一导通阶段以及开始于t2的第一截止阶段期间，温度Th、Tc以及电压U如图4a中那样变化。
当第二和后续的导通阶段发生时，冷侧温度Tc还未开始降低。这导致仅有温度Th在截止阶段期间变化。
电压U以非对称的方式变化。其仅在电压U呈现负的最大峰值的截止阶段期间代表温度Th。
在前面对图4a至4c的描述中，假设初始温度T0为恒定。这是在稳定操作条件下的情况，其中电路已经达到其平均操作温度。在瞬时条件下，例如当电路上电时，每个导通阶段都对使温度T0从环境温度起升高作出贡献。
如这里所描述的差动热传感器不适合于直接确定晶体管的绝对热情况。然而，在大量可想到的电源管理应用中，知道温度变化不足以推导趋势和采取所需的措施来改变这些趋势。例如，可以从由传感器提供的电压U比在晶体管的在前导通阶段期间增长得更快、或者电压U在导通阶段中的变化超过阈值的事实，检测到需要功率降低的情况。
然而，如果需要知道绝对热情况，则可以通过累加电压U的峰值自电路上电起的带符号的变化来估计它们。此累加代表平均温度T0。例如，如果我们参考图4a，则如果温度T0在第一导通阶段期间升高，那么温度Th在下个截止阶段期间趋于温度T0的新值。这导致电压U在此阶段期间的峰值在绝对值上低于前一阶段的峰值，并且这些峰值的差(在绝对值上)代表温度T0的升高。
更精确地，可以累加渐近值的差，而非累加峰值的差，通过外推电压U在每个阶段的起始(在时间t0与t1之间)的曲线而计算所述渐近值的差。
使用信号U的测量电路将能够由本领域技术人员根据他们的需求而设计。如果要外推趋势，则可以将其与计算机关联。可以对现有的用以管理集成电路的其他功能(例如，电源管理)的微控制器进行编程以执行必要的计算和进行所需的动作。
图5描绘了小尺寸的差动热传感器紧挨着要测量热操作情况的MOS功率晶体管集成的示例。晶体管处于线A的右侧，而传感器处于左侧。
在P传导性硅衬底(PWell(P阱))上形成集成电路。N传导性的MOS晶体管具有传统设计。其包括被多晶硅栅极18覆盖的沟道16。该沟道由N+区域20和22勾划出其轮廓。N+区域22可以通过具有更小厚度的N-“扩展”区域而连接至该沟道，如所表示的。第一互连层M1中形成的接触24和26通过通孔而连接至N+区域20和22，并且构成晶体管的源电极和漏电极。
在沟道16下面的P区域被配置为绝缘阱(PWell Iso(P绝缘阱))。此P阱由掩埋的N阱(DNW)和外围的N阱(NWell(N阱))勾划出其轮廓。第一互连层M1中形成的接触28、30和32使得能够通过相应的P+、N+和P+区域而与衬底PWell、外围阱NWell和绝缘P阱(PWell Iso)进行接触。这些不同区域通过浅沟槽绝缘体(STI)而彼此绝缘。
线A左侧的传感器包括如关于图1所描述的热电堆。传感器的多晶硅条12和14布置在形成于衬底中的浅沟槽绝缘体34上。此电绝缘体还证明是限制衬底与传感器之间、以及传感器的热侧与冷侧之间的热量传递的热绝缘体。可以构想其他绝缘体，诸如厚的氧化物或氮化物。
优选通过由相继的互连层(仅描绘出两个，M1和M2)中的通孔和金属化的堆形成的热桥将图的最左侧的传感器的冷侧耦至芯片的表面上的金属带(strip)(未示出)。此金属带可以通过接触珠(contact bead)而连接至热沉。目的是将传感器的冷侧理想地热耦合至恒温器，以便将其保持在尽可能恒定的温度Tc中。实际上，耦合至电路的接地平面的接触珠相对于传感器上的测量所需的时间可以呈现出良好的热惯性。还可以通过在接地平面中制造热闸(thermal brake)而将电源地连接与控制地连接分开来提高此热惯性，如可以由本领域的技术人员所实现的。
大量形成以便减少热阻的通孔不与条12和14进行任何电接触。它们在绝缘体34上围绕条的末端周围来收集热。仅专用的通孔将传感器的输出接触连接至金属道，以用于将由传感器提供的电压U传递至操作电路的目的。
晶体管发热的区域是沟道16。因此，传感器的热侧必须被放置为尽可能靠近沟道。但是，如所描绘的，最多可以将传感器的此热侧放置为与晶体管的外围接触。传感器不可以干扰构成晶体管的元件，在MOS功率晶体管的情况下，如所描述的，晶体管将该沟道放置为相对远离外围。
为了改善沟道16与传感器的热侧之间的热传递，例如，优选将热桥36以金属化的形式提供在互连层M2中。此桥通过一端连接至晶体管的源电极24、另一端连接至传感器的热侧而被连接。通过通孔以及(如果适用)中间互连层(传感器侧的M1)的金属化进行连接。至于传感器的冷侧，热桥36的通孔与条12和14末端周围的绝缘体STI 34接触。
为了使热桥36具有最优效率，将其宽度(与图的平面垂直的不可见的维度)选择为在传感器侧与热电堆的宽度相等，并且在晶体管侧与源电极24的宽度相等。
因为桥36形成相对大的金属质量并因此形成高电容，所以其必须在晶体管侧连接至经历很小电压变化的接触。这通常是功率晶体管的源极，其连接至电源电压(对于N传导性晶体管是接地，对于P传导性晶体管是电源电压)。
在硅上的当前集成技术中，每个互连层中的金属量必须考虑相对于填充金属化之间的间隙的绝缘体的最小比例，以便在平面化操作之后获得合适的表面状态和均匀的厚度。在化学机械抛光(CMP)的情况下，此比例是约10％至15％。将此约束合并在集成电路设计工具中，使得这些工具在发现金属的比例不足时，将自动添加规则地分布在互连层的表面上的小金属凸点(称为哑点(dummy))。
在如图5中描绘的传感器中，哑点将不可避免地被插入传感器的热侧与冷侧之间的每个互连层中。这些哑点使热阻减小，并增强热侧对冷侧的加热。这导致必须增加传感器的长度以补偿热阻的减小。然而，通过约100μm的长度获得可用的结果。
图6描绘了使得能够考虑到CMP约束而最优化长度的热传感器的结构。
此结构中使用的一个原则是根据CMP操作的技术要求以明智的方式分布最小量的金属，使得在传感器的热侧与冷侧之间的热传递不顺利。所使用的技术例如包括七个互连层M1至M7。因此，在这些层的每个中，必须考虑金属的最小比例。
在传感器的冷侧上，如关于图5规定的，提供了通过通孔连接的垂直的金属化堆38。层M1的金属化通过通孔连接至传感器的条12、14的末端周围的绝缘体STI 34，而不与后者电接触，如关于图5而描述的。这些金属化的宽度(即，它们与图平面垂直的维度)约为构成传感器的热电堆的宽度。
层M7的金属化优选地连接至可从集成电路的外部到达的接触片，能够被放置为直接与热沉接触，或者通过接触珠连接至印刷电路的金属带。
在传感器的热侧，在相继的互连层M1至M7中提供形成具有金属台阶的阶梯的台阶状结构40。第一阶梯从传感器的热端处的第一层M1开始，并且朝着芯片的表面向上以及朝着冷侧延伸。后续的阶梯从层M1上基本与第一阶梯在层M7停止的地方垂直的位置开始。在所描绘的维度的情况中，此第二阶梯在层M6停止，以便保持远离冷侧的堆38。
如果传感器更长，则此第二阶梯也将在层M7停止，并且第三阶梯将在层M1中与第二阶梯的最后台阶垂直处开始，以此类推，直到达到堆38为止。
台阶从一层到下一层略有重叠，以便能够通过通孔连接。层M1的第一台阶不包括在向下的方向上连接它们的通孔。此外，第一阶梯的第一台阶虽然在与热桥36相同的层M1中形成，但是其不连接至热桥。这些阶梯实际上优选与集成电路的其他元件热和电绝缘。
选择台阶的深度以使得金属在每层中的比例等于所需最小值(10％至15％)。为了示例的目的，在65nm的CMOS技术中，可以采取2.2μm的深度用于层M6和M7(在那里，金属较厚)的台阶，而采取1.6μm的深度用于其他层。第二阶梯可以在第一阶梯的最后台阶之后的1.2μm处开始。
阶梯的宽度约为构成传感器的热电堆的宽度，如热桥36的宽度那样。
台阶状结构40用作热偏转器，其促使热向上传播，远离传感器的冷侧。由于金属的此分布，可以生产仅具有约20μm的长度的可用热传感器。
图7描绘了图6类型的传感器原型的热侧和冷侧温度Th、Tc、以及由所述传感器原型提供的电压U响应于功率步幅的变化。传感器的热电堆仅包括两个具有20μm长度的多晶硅条，它们分别为n传导性和p传导性的。
功率步幅使得温度上升的渐近(asymptotic)值为约50K。温度Th实际上在100μs之后达到此值。冷侧温度Tc在步幅开始之后以约6μs的时滞作出反应。在步幅的起始之后6.2μs，测量到4.9mV的最大电压U。通过使用具有8个条的热电堆，此值被乘以4，而同时提供呈现非常小的尺寸的传感器。应当根据使用传感器输出的电路的灵敏度以及所需精度，来选择条的数量并因此选择热电堆的结的数量。

Claims (10)

1.一种半导体技术中集成的热电器件，包括布置在热源(16)附近的热侧(Th)、以及冷侧(Tc)，并且根据所述热侧与所述冷侧之间的温度差提供信号(U)，其特征在于，以如下方式布置所述热侧和所述冷侧：当所述热源的温度变化时，它们的温度趋于相等。
2.如权利要求1所述的热电器件，其特征在于，其包括测量电路，所述测量电路根据所述信号的从所述热源的温度变化的时间起的连续可变的部分(t0-t1)，提供有用信息。
3.如权利要求1所述的热电器件，其特征在于，所述热侧与所述冷侧之间的距离小于100μm。
4.如权利要求1所述的热电器件，其特征在于，所述热侧通过在所述半导体技术的互连层中形成的热桥(36)而耦合至所述热源。
5.如权利要求1所述的热电器件，其特征在于，其形成在绝缘体(34)上。
6.如权利要求1所述的热电器件，其通过提供多个互连层(M1-M7)并且每层要求最小比例的金属的技术而形成，其特征在于，其包括从所述热侧开始并从所述传感器的平面离开而朝着所述冷侧前进的台阶状结构(40)，所述结构的台阶由相继的互连层中的金属形成。
7.如权利要求6所述的热电器件，其特征在于，以允许每层满足最小金属比例要求的最小尺寸来实现所述台阶。
8.如权利要求1所述的热电器件，其特征在于，其包括热桥(38)，所述热桥(38)将所述冷侧连接至能够从外部到达的带。
9.如权利要求1所述的热电器件，其特征在于，所述热源是在斩波模式中操作的晶体管。
10.如权利要求4或8所述的热电器件，其特征在于，所述热桥(36、38)包括布置在所述器件的一端周围但不与所述器件电接触的通孔。
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