CN103226044A

CN103226044A - 小区域高性能的以单元为基础的热二极管

Info

Publication number: CN103226044A
Application number: CN2012105466564A
Authority: CN
Inventors: 彭永州; 张清河; 黄睿政
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103226044B

Abstract

一种热感测系统包括具有布局的电路，该布局包括成行和成列地布置的标准单元。第一和第二电流源分别提供了第一和第二电流。热感测系统包括热感测单元，第一和第二开关模块，以及模拟数字转换器(ADC)。每个热感测单元均被配置成提供取决于该热感测电流源处的温度的电压降。第一开关模块被配置成选择热感测单元之一。第二开关模块包括至少一个可由控制信号控制的开关。至少一个开关被配置成基于控制信号通过第一开关模块将热感测单元选择性地与第一和第二电流源之一相连接。ADC被配置成将由所选择的热感测单元提供的模拟电压转换成数字值。本发明还提供了一种小区域高性能的以单元为基础的热二极管。

Description

小区域高性能的以单元为基础的热二极管

相关申请的交叉参考

本申请要求于2012年1月31日提交的第61/592,658号美国在先专利申请的权益，该专利申请的全部公开内容通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明涉及半导体领域，更具体地，本发明涉及一种小区域高性能的以单元为基础的热二极管。

背景技术

在各种电路应用中，散热越来越受到重视。随着现代芯片上系统(SoC)应用的高门数量和高工作效率，尤其是对2.5D或3D集成电路(IC)应用而言，热问题明显逐步升级。芯片上的一些区域可能相对较热，而其他区域可能相对较凉，并且为了高效的电路性能需要对“热点”进行监测。

传统的热感测系统使用了以下器件，诸如，展示出温度依存性的晶体管。由于与将晶体管布线到数字电路的相邻的(局部的)数字地相关的电阻，在使用单个晶体管来感测给定位置上的温度的系统中产生了问题。与这种布线电阻相关的压降ΔV可能降低性能，并且由于多个位置中的每个位置的ΔV值可能发生变化，所以可能提供错误的温度读数。为了克服这个ΔV的问题，电路设计者不得不事先将晶体管布线至模拟地，该模拟地可能为了提供常用参考电压而远离晶体管，由此不利地增大了布线长度、管芯区域以及总体成本。

一些以前的热感测手段被使用在不同的方法中，在这些方法中使用一对晶体管来监测给定的位置上的温度。使用成对的晶体管调解了前述的ΔV的问题，但却产生了其他缺点。例如，使用不同的晶体管配置可能使晶体管的数量加倍，由此增大了部件成本和管芯区域，使用在典型的SoC热感测应用中的大量晶体管便可以有问题地导致上述情况。另外，由于可能降低性能的器件失配(例如，由于工艺变化)，使用两个器件代替一个来感测温度会产生问题。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种装置，包括：总电流开关模块，包括：第一电流源，提供第一电流，第二电流源，提供不同于所述第一电流的第二电流，以及至少一个能够由控制信号控制的开关，所述开关被配置成将所述第一电流源和所述第二电流源之一与所述总电流开关模块的输出端相连接；以及一个或多个局部器件，每个局部器件均与所述电流开关模块的输出端直接地或通过开关相连接，每个局部器件均被设置在集成电路芯片的不同位置上并且被配置成在所述总电流开关模块的输出端处提供取决于相应的所述局部器件处的温度的电压。

在所述装置中，所述至少一个开关包括单刀双掷(SPDT)开关。

在所述装置中，所述至少一个开关包括分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连接的单掷开关对。

在所述装置中，所述控制信号是周期性二进制信号。

在所述装置中，所述控制信号的每个周期均包括用于将所述总电流开关模块的所述输出端分别与所述第一电流源和所述所述第二电流源相连接的第一阶段和第二阶段。

在所述装置中，所述第一阶段和所述第二阶段的持续时间不同。

在所述装置中，所述第一阶段长于所述第二阶段。

在所述装置中，所述一个或多个器件中的每个均是双极结型晶体管。

在所述装置中，所述一个或多个器件中的每个均与电路的标准单元的局部地线相连接。

在所述装置中，电路布局中的所述一个或多个器件的宽度是电路的标准单元的宽度的整数倍。

根据本发明的另一方面，提供了一种热感测系统，包括：具有布局的电路，所述布局包括多个成行和成列地布置的标准单元；第一电流源，提供第一电流；第二电流源，提供不同于第一电流的第二电流；多个热感测单元，每个所述热感测单元均被配置成提供取决于所述热感测单元处的温度的电压降；第一开关模块，被配置成选择所述多个热感测单元之一；第二开关模块，包括至少一个能够由控制信号控制的开关，所述至少一个开关被配置成基于所述控制信号选择性地通过所述第一开关模块将多个所述热感测单元与所述第一电流源和所述第二电流源之一相连接；以及模拟数字转换器(ADC)，被配置成将由选择出的热感测单元提供的模拟电压转换成数字值。

在所述热感测系统中，所述至少一个开关包括单刀双掷(SPDT)开关。

在所述热感测系统中，所述至少一个开关包括分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连接的单掷开关对。

在所述热感测系统中，所述控制信号是周期性二进制信号，并且所述控制信号的每个周期均包括用于将所述多个热感测单元的每个分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连接的第一阶段和第二阶段。

在所述热感测系统中，每个热感测单元均包括单个双极结型晶体管。

在所述热感测系统中，每个热感测单元均具有接地线和电源线，所述接地线和所述电源线均与邻近的标准单元的对应接地线和电源线相对准并且相连接。

在所述热感测系统中，所述布局中的每个热感测单元的宽度是每个标准单元的宽度的整数倍。

根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：在第一阶段中将第一电流从第一总电源提供给多个局部热感测单元，使得所述多个局部热感测单元中的每个均分别生成第一电压；在第二阶段中将第二电流从第二总电流源提供给所述多个局部热感测单元，使得所述多个局部热感测单元中的每个均分别生成第二电压，所述第二电流不同于所述第一电流；基于相应的所述第一电压和所述第二电压，在所述多个局部热感测单元的每个上确定所感测到的模拟电压；以及将感测到的模拟电压转换成数字电压。

在所述方法中，确定感测到的模拟电压包括：在减法电路中计算所述第一电压和所述第二电压之间的差。

在所述方法中，进一步包括：选择性地将所述多个热感测单元中的每个与所述减法电路相连接。

附图说明

从下面出于说明性目的并且不必按照比例设置的附图元件中将明显地看出：

图1是根据一些实施例的热感测系统的电路图；

图2是根据一些实施例的信号迹线图，该图示出了控制信号和被监测的电压信号；

图3是根据一些实施例的状态存储机构的电路图；

图4是根据一些实施例的具有多个热感测单元的芯片的平面图；

图5A-图5B是根据一些实施例在电路布局的热二极管和相邻的标准单元之间的对齐的视图；

图6是根据一些实施例的工艺的流程图；

图7是根据一些实施例的单刀双掷开关配置的示意图。

具体实施方式

对于示例性实施例的描述旨在结合附图进行阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。除非另有说明，关于电接合、电连接等等，比如“连接的”和“互连的”的术语指的是相互直接固定或连接，或通过中间结构间接固定或连接的结构之间的关系，以及可移动的或刚性的两种连接或关系。同样地，除非另有说明，关于电接合等，诸如，“接合的”和“互连的”的术语指的是通过中间结构彼此直接通信或间接通信的结构之间的关系。

图1是根据一些实施例的热感测系统100的电路图。部件101是用于芯片的局部感测单元的部分。多个局部部件101可以分布在芯片的各个位置上。部件102是用于芯片的总电路的部分。在总部件102中，第一电流源110提供了第一电流I，而第二电流源120提供了大于第一电流的第二电流。第二电流可以是第一电流的m倍，例如，电流m*I，在此，m可以是任意值。开关122a和122b(在此示为双刀单掷(DPST)配置)与相应的电流源110、120相连接。通过反相器180所提供的控制信号CTRL和其互补信号(complement)CTRLB控制开关122a和122b。开关122a和122b选择性地将电流源之一与节点155相连接。尽管出于直观清晰，图1中示出的开关122a，122b处在断开状态，但在任意给定的时间下开关之一是断开的而另一个则使接通的。因此，热感测单元130在给定的时间下与开关110、120中的一个相连接。尽管在图1的实例中示出了两个开关122a、122b，但也可以仅通过一个开关，例如，图7中所示的通过信号CTRL1进行控制的单刀双掷(SPDT)配置的开关122c来提供等效的开关功能(即，将电流源之一与热感测单元相连接)。正如本领域的技术人员将理解的那样，开关122a、122b可以被实现成金属氧化半导体(“MOS”)晶体管，在其中晶体管的栅极是相连接的，从而分别接收用于将电流源110或120选择性地与热感测单元130相连接的CTRL和CTRLB信号。

出于测量目的，热感测单元130提供了温度依存信号。例如，热感测单元130可以是晶体管，例如，PNP双极结型晶体管(BJT)。BJT 130用作热二极管，这是因为基极-发射极压降V_BE取决于温度。通常，当温度升高时V_BE降低。

当使用N个BJT感测N个位置上的温度时，与BJT 130的发射极相连接的节点140-1被提供给与其他BJT的发射极(图1未示出)相连接的开关150和类似的节点140-2，...，140-N(整体被称为“节点140”或“输入节点140”)。在一些实施例中，仅使用一个BJT(例如，为了在芯片上的仅一个位置上感测温度)，在此情况下不需要开关150。

开关150选择其基于一个SEL的输入节点140中的一个。如果选择了节点140-1处的电压信号V_IN，那么将那个模拟信号提供给开关的输出节点155并且通过模数转换器(ADC)160将其转换成数字电压信号。所得到的数字化码165提供了基于相应的输入节点140的相应的热感测单元的位置上的准确的温度读数。开关150和ADC 160是与多个局部部件101中的每个部件相连接的总电路102的部分。

热感测单元130可以是如图4所示可以在整个芯片100上分布的多个热感测单元130-1，130-2，...，130-N中的一个。参考图1，电流源110和120，开关122a和122b，开关150，以及ADC 160可以是热感测系统的总共享部件102的部分。换言之，这些总部件并不需要在每个将被感测的位置上重复出现。因此，在一些实施例中，只有一个热感测单元130(例如，热二极管，诸如，BJT)是局部部件101的部分，该热感测单元被分布在芯片上的将进行温度感测的多个位置中的每个位置上，从而降低了硬件的需求。

控制信号CTRL可以是如图2所示的周期性二进制信号。每个周期均可以具有第一阶段(例如，从时间t₀至t₁)，以及第二阶段(从t₁至t₂)。在第一阶段中，控制信号CTRL具有第一电平L1，该电平使得电流源120(与电流m*I相应)与BJT 130相连接。在第二阶段中，信号具有第二电平L2，该电平使得电流源110(与电流I相应)与BJT 130相连接。第一和第二阶段可以具有不等的持续时间。例如，第一阶段的持续时间可以短于第二阶段的持续时间。

电压V_IN取决于开关122a和122b是否将电流源110或电流源120与BJT相连接。因此，V_IN可以是图2中所示的周期性信号。

为了在正有源区中操作BJT，根据下面的算式：V_BE(T)＝k*T/q*ln(I_B/I_S)，基极-发射极电压降V_BE是温度T的函数，其中，“ln”表示自然对数，k是波兹曼常数，T是以开尔文为单位的绝对温度，q是以库仑为单位的电子的电荷，I_B是单元偏置电流，而I_S是晶体管饱和电流。I_B和I_S取决于温度。当BJT 130与电流源110相连接时，电压是基极-发射极电压降V_{BE_mI}，而当BJT与电流源120相连接时，电压V_{BE_mI}是基极-发射极电压降。

参考图3，两个电压状态都被存储在处在ADC 160的采样保持框处的电容器310，320中。热变化在相对较慢的时标上产生，这使得在控制信号CTRL的周期过程中不产生明显的温度变化，该控制信号可以接近1μs。因此，存储在电容器310，320上的电压为温度感测提供了可靠的指示。每个电容器的充电速度取决于偏置电流(例如，I或m*I)，因为每个电容器的充电时间与电容和电流的比率成比例。节点330和340可以被提供给减法模块350，该减法模块在其输出端360处提供了差(V_{BE_mI}+ΔV)-(V_{BE_I}+ΔV)，其中，ΔV是与将BJT130布线至接地的电阻132相关的电压降。换言之，节点360处的电压等于V_{BE_mI}-V_{BE_I}。因此，通过动态的两相开关消除了两个连接配置(即，与电流源110或电流源120相连接)所共有的电压项ΔV。本发明的实施例有利地通过在给定的位置上使用一个晶体管而不使用两个晶体管来同消除了项ΔV的不同的感测技术进行竞争。在一个局部感测位置上使用一个晶体管消除了不同感测技术所共有的器件失配错误。

表述V_{BE_mI}-V_{BE_I}与k*T/q*ln(m*I/I_s)-k*T/q*(I/I_S)(可以被写成k*T/q*ln(m))相对应。该模拟的温度依存电压被转换成了数字的，正如被ADC 160数字化的数字码165。正如本领域的技术人员将理解的那样，ADC可以被实现成流水线式的ADC，切换电容式ADC，电阻梯，或其他ADC。

上述各个实施例有利地使用了动态的两项电流开关来仿真差分感测技术，以消除不同的热感测单元130之间的电压不稳定性(例如，ΔV)。因此，BJT130不必与模拟地相连接，而可以替代性地通过数字电路的相邻的数字接地。

首先参考图4，根据一些实施例芯片400具有输入/输出环形区域410，该区域提供了芯片的输入/输出电路以及与由标准布局单元(标准单元)所构成的数字电路布局相应的区域420。正如本领域的技术人员将理解的那样，可以有规律地布置这些标准单元，从而在数字电路设计中重复行和列构成的图案。多个热感测单元130-1，130-2，...，130-N可以被设置在区域420中的各个位置上，以在这些位置上提供热感测。如图4所示的那样，可以从热感测单元130-k至ADC 160布置模拟电压线430。电压线430可以对应于图1的信号V_IN。为了直观清晰，图4中并未示出开关150和源于其他热感测单元的模拟电压线(与电压线430类似)。为了用于参考，本公开的实施例不要求将模拟地线布线至总电路。作为替代，公开的实施例使用一个选择性地与不同电流源相连接的BJT 130来产生两个区别性的电压信号，该电压信号可以彼此相减，从而确定出所感测的模拟电压电平。由此可以消除这种模拟地线的屏蔽。各个实施例由此减小了成本、管芯面积和电路复杂性。

为了在数字电路中有效地实施热感测单元，热感测单元可以具有以单元为基础的与相邻的标准单元相对齐的布局结构。普通技术人员理解，各种自动布置和布线(APR)技术，标准单元均被用在电路布置中，以便从重复的、可预测的(例如，成行和成列地布置的)结构中获得效率。例如，标准单元大体上具有统一的长度和宽度，并且具有其各自的局部电流源线和地线，从而为电路设计者提供一致的结构。在本公开的各个实施例中，热感测单元130(例如，热二极管，可以是BJT)具有是电路布局的标准单元的相应尺寸(例如，宽度W)的整数倍的尺寸(例如，宽度P*W)。例如，参考图5A，热二极管130的宽度是每个标准单元510-1，510-2，...，510-P的宽度的P倍。

通过以这种方式确定热二极管130的尺寸，热二极管130可以被插入到标准单元布局中，从而使得形成了二极管130的数字电路的电流源和接地金属线(在图5B中大体上被标记为虚线535)与相邻的标准单元的电流源和接地金属线对准。在图5B中周围的标准单元大体上被标记为540。金属线550可以从热二极管布线模拟信号/将模拟信号布线至热二极管(例如，图1的V_IN)。

因此，通过将热二极管530的宽度P*W(图5A的垂直轴线)的尺寸确定成与相邻的标准单元相对准，热感测系统的布局是有效的，不存在管芯面积损害(area penalty)。因此，由于相邻的标准单元提供了电流源和接地连接，所以可以简单地实现集成。在此不需要利用昂贵的、累赘的模拟布线，而是通过标准单元的数字地来以有效的方式有益地获得在此所述的各个实施例的二极管的接地。

因此，本发明的实施例改善了热二极管性能，例如，在不需要为了这种性能改善而在每个位置上均设有两个BJT的情况下，通过消除源于参考电压布线的、降低了上述系统性能的电压变化ΔV来改善热二极管性能。由于在每个位置上仅设置一个BJT，而不是两个来与ADC输入端的绝对温度(PTAT)源成正比，所以不需要考虑在单个位置上的两个BJT之间的失配。因此，以标准单元为基础的热二极管的布局效率降低了布线需求和整体成本。

图6是根据一些实施例的工艺600的流程图。在工艺600开始之后，在第一阶段中将第一总电流源的第一电流提供给多个局部热感测电流源(610)，从而使得多个局部热感测单元中的每个分别产生第一电压。在第二阶段中将第二总电流源的第二电流提供给多个局部热感测单元(620)，从而使得多个局部热感测单元中的每个分别产生第二电压。该第二电流不同于第一电流。基于相应的第一和第二电压在多个局部热感测单元的每个上确定所感测到的模拟电压的大小(630)。将感测到的模拟电压转换成数字电压(640)。

在一些实施例中，一种设备包括总电流开关模块和一个或多个局部器件。每个局部器件均与电流开关模块的输出端直接地或通过开关相连接。该总电流开关模块包括提供第一电流的第一电流源，以及提供不同于第一电流的第二电流的第二电流源。该总电流开关模块还包括至少一个由控制信号控制的开关。该开关被配置成将第一和第二电流源之一与总电流开关模块的输出端相连接。局部器件被设置在集成电流芯片的不同位置上。每个局部器件均被配置成在总电流开关模块的输出端处提供取决于相应的局部器件处的温度的电压。

在一些实施例中，热感测系统包括具有布局的电路，该布局包括多个成行和成列地布置的标准单元。该热感测系统还包括提供第一电流的第一电流源，提供不同于第一电流的第二电流的第二电流源，多个热感测电流源，第一和第二开关模块，以及模拟数字转换器(ADC)。每个热感测单元均被配置成提供取决于该热感测单元处的温度的压降。第一开关模块与热感测电流源中的每个相连接并且被配置成选择热感测单元之一。第二开关单元包括至少一个可由控制信号控制的开关。该至少一个开关被配置成基于控制信号选择性地通过第一开关模块将热感测单元与第一和第二电流源之一相连接。ADC被配置成将由被选择的热感测单元提供的模拟电压转换成数字值。

在一些实施例中，在第一阶段中将第一总电流源的第一电流提供给多个局部热感测单元，从而使得多个局部热感测单元中的每个分别产生第一电压。在第二阶段中将第二总电流源的第二电流提供给多个局部热感测单元，从而使得多个局部热感测单元中的每个分别产生第二电压。该第二电流不同于第一电流。基于相应的第一和第二电压在多个局部热感测单元的每个上确定所感测到的模拟电压。感测到的模拟电压被转换成了数字电压。

尽管在此说明和描述了一些实例，但实施例并不局限于所示的细节，因为普通技术人员在此可以在权利要求的等效方案的范围和区域内进行各种更改和结构变化。

Claims

1.一种装置，包括：

总电流开关模块，包括：

第一电流源，提供第一电流，

第二电流源，提供不同于所述第一电流的第二电流，

以及

至少一个能够由控制信号控制的开关，所述开关被配置成将所述第一电流源和所述第二电流源之一与所述总电流开关模块的输出端相连接；以及

一个或多个局部器件，每个局部器件均与所述电流开关模块的输出端直接地或通过开关相连接，每个局部器件均被设置在集成电路芯片的不同位置上并且被配置成在所述总电流开关模块的输出端处提供取决于相应的所述局部器件处的温度的电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个开关包括单刀双掷(SPDT)开关。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个开关包括分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连接的单掷开关对。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制信号是周期性二进制信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制信号的每个周期均包括用于将所述总电流开关模块的所述输出端分别与所述第一电流源和所述所述第二电流源相连接的第一阶段和第二阶段。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一阶段和所述第二阶段的持续时间不同。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一阶段长于所述第二阶段。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个器件中的每个均是双极结型晶体管。

9.一种热感测系统，包括：

具有布局的电路，所述布局包括多个成行和成列地布置的标准单元；

第一电流源，提供第一电流；

第二电流源，提供不同于第一电流的第二电流；

多个热感测单元，每个所述热感测单元均被配置成提供取决于所述热感测单元处的温度的电压降；

第一开关模块，被配置成选择所述多个热感测单元之一；

第二开关模块，包括至少一个能够由控制信号控制的开关，所述至少一个开关被配置成基于所述控制信号选择性地通过所述第一开关模块将多个所述热感测单元与所述第一电流源和所述第二电流源之一相连接；以及

模拟数字转换器(ADC)，被配置成将由选择出的热感测单元提供的模拟电压转换成数字值。

10.一种方法，包括：

在第一阶段中将第一电流从第一总电源提供给多个局部热感测单元，使得所述多个局部热感测单元中的每个均分别生成第一电压；

在第二阶段中将第二电流从第二总电流源提供给所述多个局部热感测单元，使得所述多个局部热感测单元中的每个均分别生成第二电压，所述第二电流不同于所述第一电流；

基于相应的所述第一电压和所述第二电压，在所述多个局部热感测单元的每个上确定所感测到的模拟电压；以及

将感测到的模拟电压转换成数字电压。