CN105277288B - 适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法，三维集成电路是由多个能执行特定功能的芯片层所堆叠而成，其中芯片层包括有一主要层与至少一附属层，于主要层设有一主要温度感测器，并于附属层欲感测热能处设置有一第一导热部，第一导热部与主要温度感测器是以一热传导结构互相连接；借此，本发明借由直通硅穿孔将位于不同芯片层的热点温度传导至同一芯片层做量测并校正，可有效降低温度感测系统的设计复杂度与实作成本。
Description
技术领域
本发明是有关于一种适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法，尤其是指一种应用于三维集成电路的多芯片层与多热点感测的温度感测系统及其方法，本发明主要是借由直通硅穿孔结构将位于不同芯片层的热点温度传导至同一芯片层做量测并校正,可有效降低温度感测系统的设计复杂度与实作成本者。
背景技术
按,根据半导体摩尔定律(Moore's Law)所阐述的理论,由于半导体制造工艺技术能力的提升,集成电路(Integrated Circuit,简称IC)上所能容纳的晶体管数目,约每隔18个月就会增加一倍,而性能也将提升一倍以上；然而,随着半导体制造工艺技术的快速发展,要在单一芯片上容纳更多数目的晶体管变得越来越困难,且由于晶体管的尺寸越来越小,导致连接线的延迟时间也不断增加,在现今的半导体先进制造工艺间,连接线的延迟时间已大幅提升,以致于集成电路的演变速度逐渐缓慢；为了要解决上述的问题,三维集成电路(three-dimensional integrated circuit,简称3D IC)的创新与发明提供了有效的半导体制造工艺解决方案；三维集成电路具有提高单位面积的元件密度与信号的传输速度等优点,其主要是利用直通硅穿孔(Through Silicon Via,简称TSV)技术,借由垂直的方式使直通硅穿孔(TSV)在芯片层间做信号的连接,使得信号不单单只有二维方向的传输,亦有三维垂直方向的传递,进而符合因制造工艺技术持续发展而对芯片整体效能的要求。
虽然三维集成电路可借由直通硅穿孔(TSV)结构解决二维系统单芯片整合所出现的问题；然而,此技术的缺点在于经垂直整合后的芯片会有不易排热而产生高热的问题,因此,准确的温度感测系统在三维集成电路的系统芯片中更显重要,由于三维集成电路所含电路类型不同,为了追求效能与成本的最佳化,不同芯片层所采用的制造工艺技术也会有所不同,而导致必须在不同芯片层放置不同架构的温度感测器,使得温度感测系统的设计复杂度大增；此外,由于不同的温度感测器架构需要使用不同的校正机制,并需要额外的数字或模拟信号借由直通硅穿孔沟通以完成校正,这也使得校正温度感测系统中的所有温度感测器变得非常困难,并且可能需要摆置许多额外的直通硅穿孔结构；因此,如何有效以低成本、低复杂度的三维集成电路温度感测系统,借由在三维集成电路的不同芯片层内设置温度感测器并配合动态温度控管机制来确保系统的可靠度,进而有效达到温度感测系统对三维集成电路因温度、制造工艺或电压的变化所产生的温度变异量的校正,仍是现今三维集成电路或其温度感测技术开发的业者或研究人员需持续努力克服与解决的重要课题。
发明内容
今,发明人即是鉴于上述三维集成电路的温度感测系统存在因不同的温度感测器架构需要不同的校正机制,使得校正温度感测系统中的温度感测器变得困难等一项或多项缺失,于是乃一本孜孜不倦的精神,并借由其丰富的专业知识及多年的实务经验所辅佐,而加以改善,并据此研创出本发明。
本发明主要目的为提供一种适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法,尤其是指一种应用于三维集成电路的多芯片层与多热点感测的温度感测系统及其方法,本发明主要是借由直通硅穿孔(TSV)结构将位于不同芯片层的热点温度传导至同一芯片层做量测并校正,可有效降低温度感测系统的设计复杂度与实作的成本。
为了达到上述实施目的,本发明提出一种适用于三维集成电路的温度感测系统,三维集成电路是由多个能执行特定功能的芯片层所堆叠而成,其中芯片层包括有一主要层与至少一附属层,于主要层设有一主要温度感测器,并于附属层欲感测热能处设置有一第一导热部,第一导热部与主要温度感测器是以一热传导结构互相连接。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测系统,其中主要层设置有至少一分别与热传导结构以及主要温度感测器连接的第二导热部。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测系统,其中第一导热部与第二导热部为金属。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测系统,其中第二导热部设置有一从属温度感测器,并借由主要温度感测器校正从属温度感测器因温度、制造工艺或电压的变化所产生的温度变异量。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测系统,其中热传导结构是以一金属制造工艺形成。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测系统,其中热传导结构是以一铜制造工艺形成。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测系统,其中热传导结构为一直通硅穿孔结构。此外,为了达到上述适用于三维集成电路的温度感测系统的实施目的,本发明人乃研拟如下实施技术,首先,于一主要层设置一主要温度感测器,并于一附属层欲感测热能处设置有一第一导热部；再者,形成一热传导结构,以连接第一导热部与主要温度感测器；最后,将第一导热部收集的热能借由热传导结构传至主要温度感测器。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测方法,其中主要层设置有至少一分别与热传导结构以及主要温度感测器连接的第二导热部。
如上所述的适用于三维集成电路的温度感测方法,其中第二导热部设置有一从属温度感测器,借由主要温度感测器校正从属温度感测器因温度、制造工艺或电压的变化所产生的温度变异量。
借此,本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法是使用由半导体的后段铜制造工艺制备的直通硅穿孔结构,将位于不同附属层的热点温度传导至一主要层做温度量测并校正,具有可降低温度感测系统的设计复杂度与实作成本的优点；此外,本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法是利用直通硅穿孔结构辅助的多热点温度感测系统,其温度感测器系统一设置在具有同一制造工艺的主要层中,而在相异制造工艺的附属层中欲感测温度的每个热点,则借由直通硅穿孔结构将热能传递至主要层的对应温感电路进行温度感测,具有降低三维集成电路的半导体制造工艺复杂度的优点；再者,本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法所使用的直通硅穿孔结构与传统硅穿孔结构以散热为目的的用途不同,由于本发明是将附属层的待测热点的温度传递至主要层,因此不需要大直径的硅穿孔结构,即可完成温度传递的目的,因此,使用本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统并不会占据过多的芯片面积,有效达到缩小芯片尺寸的目的；最后,本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法是将所有的温度感测器皆设置于以同一制造工艺制备的主要层上,不仅在温度感测器架构的选择上相对便利,同时可将现有的适用于二维系统单芯片的多热点温度感测机制顺利移植进三维集成电路整合系统中,同时对于各温感电路的校正,也不需通过直通硅穿孔结构传递信号,相对节省芯片制造成本。
附图说明
图1：本发明适用于三维集成电路的温度感测系统其一较佳实施例的系统结构示意图；
图2：本发明适用于三维集成电路的温度感测系统其二较佳实施例的系统结构示意图；
图3：本发明适用于三维集成电路的温度感测方法其步骤流程图。
符号说明：
1 三维集成电路
2 芯片层
21 主要层
22 附属层
23 基板
24 电介质层
25 保护层
3 主要温度感测器
4 第一导热部
5 热传导结构
6 第二导热部
61 从属温度感测器
S1 步骤一
S2 步骤二
S3 步骤三
具体实施方式
本发明的目的及其结构设计功能上的优点,将依据以下图面所示的较佳实施例予以说明,以使审查员能对本发明有更深入且具体的了解。
首先,请参阅图1所示,为本发明适用于三维集成电路的温度感测系统其一较佳实施例的系统结构示意图,其中三维集成电路1是由多个能执行特定功能的芯片层2所堆叠而成,其中芯片层2包括有一主要层21与至少一附属层22,于主要层21设有一主要温度感测器3,并于附属层22欲感测热能处设置有一第一导热部4,第一导热部4与主要温度感测器3是以一热传导结构5互相连接；在本发明其一较佳实施例中,主要层21与附属层22皆各自形成于一基板23上,而主要层21与附属层22间再借由一电介质层24相互堆叠,最后再以一保护层25形成于三维集成电路1最外层,以保护下方的电路。
此外,主要层21设置有至少一分别与热传导结构5以及主要温度感测器3连接的第二导热部6。
再者,第一导热部4与第二导热部6为金属材质制成,用以将接收的热能传递。
此外,第二导热部6设置有一从属温度感测器61,并借由主要温度感测器3校正从属温度感测器61因温度、制造工艺或电压的变化所产生的温度变异量；在本发明其一较佳实施例中,是参照本发明人先前申请的发明专利“适用于集成电路芯片的多点温度感测方法及其系统”,其系统包括有至少一嵌设于模块欲量测温度处的从属温度感测器,以及一嵌设于集成电路芯片中并电连接所有从属温度感测的主要温度感测器,借由主要温度感测器校正从属温度感测器因制造工艺、电压或温度变异所产生的变异量,以大幅地减少二维集成电路芯片中其温度感测器所需要的面积并且提高温控系统的稳定度,解决传统系统整合芯片往往受限于温度感测器的面积太大而无法大量使用温度感测器的问题；因此,本发明的主要层21是依据此二维集成电路的发明专利设置有温度感测系统以感测附属层22的热点所传递过来的温度信息,请一并参阅图2所示,为本发明适用于三维集成电路的温度感测系统其二较佳实施例的系统结构示意图,其中芯片层2的堆叠亦可以有不同的态样,主要层21的堆叠顺序可于最后堆叠,亦即堆叠完至少一个附属层22后再堆叠主要层21,在图2所表示的堆叠顺序是堆叠两层附属层22后再堆叠主要层21,借由热传导结构5的设置将所有的附属层22内欲感测热能处的热能传递到最上方的主要层21量测与校正。
再者,热传导结构5是以一金属制造工艺形成；在本发明其一较佳实施例中,热传导结构5是以铜制造工艺所形成的直通硅穿孔结构,由于铜材料是一种导热性极佳的材质,也是目前半导体制造工艺中最成熟、用途最广的制造工艺,而直通硅穿孔结构亦是目前三维集成电路1常用以传递电信号的结构,因此将本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统导入半导体制造工艺,将不会有任何的制造工艺衔接问题产生。
此外,为使审查员能对本发明有更深入且具体的了解,请参阅图3所示,为本发明适用于三维集成电路的温度感测方法其步骤流程图,包括有下述步骤：
步骤一S1：于主要层21设置一主要温度感测器3,并于附属层22欲感测热能处设置有一第一导热部4；
步骤二S2：形成一热传导结构5,以连接第一导热部4与主要温度感测器3；以及
步骤三S3：将第一导热部4收集的热能借由热传导结构5传至主要温度感测器3。
此外,主要层21设置有至少一分别与热传导结构5以及主要温度感测器3连接的第二导热部6,其中第一导热部6所收集的附属层22欲感测热能处的热能,是经由热传导结构5与第二导热部6,最后传递至主要温度感测器3感测；再者,第二导热部6设置有一从属温度感测器61,借由主要温度感测器3校正从属温度感测器61因温度、制造工艺或电压的变化所产生的温度变异量。
由上述的实施说明可知,本发明适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法与现有技术相较之下,本发明具有以下优点：
1.本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法使用由半导体的后段铜制造工艺制备的直通硅穿孔结构,将位于不同附属层的热点温度传导至一主要层做温度量测并校正,具有可降低温度感测系统的设计复杂度与实作成本的优点。
2.本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法是利用直通硅穿孔结构辅助的多热点温度感测系统,其温度感测器系统一设置在具有同一制造工艺的主要层中,而在相异制造工艺的附属层中欲感测温度的每个热点,则借由直通硅穿孔结构将热能传递至主要层的对应温感电路进行温度感测,具有降低三维集成电路的半导体制造工艺复杂度的优点。
3.本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法所使用的直通硅穿孔结构与传统硅穿孔结构以散热为目的的用途不同,由于本发明是将附属层的待测热点的温度传递至主要层,因此不需要大直径的硅穿孔结构,即可完成温度传递的目的,因此,使用本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统并不会占据过多的芯片面积,有效达到缩小芯片尺寸的目的。
4.本发明的适用于三维集成电路的温度感测系统及其方法是将所有的温度感测器皆设置于以同一制造工艺制备的主要层上,不仅在温度感测器架构的选择上相对便利,同时可将现有的适用于二维系统单芯片的多热点温度感测机制顺利移植进三维集成电路整合系统中,同时对于各温感电路的校正,也不需通过直通硅穿孔结构传递信号,相对节省芯片制造成本。
Claims (8)
1.一种适用于三维集成电路的温度感测系统，其特征在于，该三维集成电路是由多个能执行特定功能的芯片层所堆叠而成，其中所述芯片层包括有一主要层与至少一附属层，是各自形成于一基板上，于该主要层设有一主要温度感测器，并于所述附属层欲感测热能处设置有一第一导热部，该第一导热部与该主要温度感测器是以一热传导结构互相连接；该主要层设置有至少一分别与该热传导结构以及该主要温度感测器连接的第二导热部。
2.如权利要求1所述的适用于三维集成电路的温度感测系统，其特征在于，该第一导热部与该第二导热部为金属。
3.如权利要求1所述的适用于三维集成电路的温度感测系统，其特征在于，该第二导热部设置有一从属温度感测器，并借由该主要温度感测器校正该从属温度感测器因温度、制造工艺或电压的变化所产生的温度变异量。
4.如权利要求3所述的适用于三维集成电路的温度感测系统，其特征在于，该热传导结构是以一金属制造工艺形成。
5.如权利要求4所述的适用于三维集成电路的温度感测系统，其特征在于，该热传导结构是以一铜制造工艺形成。
6.如权利要求5所述的适用于三维集成电路的温度感测系统，其特征在于，该热传导结构为一直通硅穿孔结构。
7.一种适用于三维集成电路的温度感测方法，其特征在于，该三维集成电路是由多个能执行特定功能的芯片层堆叠而成，其中所述芯片层包括有一主要层与至少一附属层，是各自形成于一基板上，该适用于三维集成电路的温度感测方法，其步骤包括有：
步骤一：于该主要层设置一主要温度感测器，并于该附属层欲感测热能处设置有一第一导热部；
步骤二：形成一热传导结构，以连接该第一导热部与该主要温度感测器，该主要层又设置有至少一分别与该热传导结构以及该主要温度感测器连接的第二导热部；以及
步骤三：将该第一导热部收集的热能借由该热传导结构传至该主要温度感测器。
8.如权利要求7所述的适用于三维集成电路的温度感测方法，其特征在于，该第二导热部设置有一从属温度感测器，借由该主要温度感测器校正该从属温度感测器因温度、制造工艺或电压的变化所产生的温度变异量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180622 Termination date: 20200326 |