CN108428717A - 用于芯片上机械应力感测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及芯片上机械应力感测的装置及方法。一种集成电路IC芯片(800)包含具有压电材料的衬底(402)，压电材料具有与纵向于第一晶体轴[100]的第一方向(X轴)相关联的第一电阻率系数(πLONG)及与横向于第一晶体轴的第二方向(Y轴)相关联的第二电阻率系数(πTRAN)。第一电阻率系数与第二电阻率系数具有相反正负号。IC芯片还包含形成于衬底中且经耦合以使第一电流从中穿过(从A到B)的第一应力感测元件(100A)。第一应力感测元件包含：第一电阻器(R1)，其经对准使得通过第一电阻器的主电流流动方向在第一方向上；及第二电阻器(R2)，其与第一电阻器串联耦合且经对准使得通过第二电阻器的主电流流动方向在第二方向上。第二电阻器的电阻与第一电阻器的电阻的比率等于值α，其中α等于第一电阻率系数与第二电阻率系数的比率。

Description

用于芯片上机械应力感测的装置及方法
优先权主张及相关专利申请案
此非临时申请案基于以下先前美国临时专利申请案而主张优先权：(i)2017年2月15日提出申请的属于尤米德贾·缪密特夫(Umidjon Nurmetov)、拉尔夫·彼得·布里德鲁(Ralf Peter Brederlow)及穆罕哈龙(Baher Haroun)的第62/459,140号申请案“芯片上传感器的机械应力感测的新颖方法及应力补偿电路(A Novel Method of MechanicalStress Sensing for On-chip Sensors and Stress Compensation Circuits)”；所述申请案特此以其全文引用方式并入。
技术领域
所揭示实施例大体来说涉及半导体装置中的机械应力感测领域。更特定来说且不具任何限制性，本发明针对用于芯片上机械应力感测的装置及方法。
背景技术
机械应力会改变装置，例如装置的尺寸，这会改变与装置相关联的电路参数。这些电路参数(例如电阻器的电阻率及集成振荡器的频率)可对x方向及y方向上的机械应力作出不同响应，因此期望确定主应力分量中的每一者的值以便准确地测量应力并对应力作出响应。先前方法已利用扩散电阻器的组合来提取应力分量。然而，这些解决方案往往会增加电路复杂性且在所得测量值的后处理期间需要进行复杂的数学计算。
发明内容
所揭示实施例提供将施加于集成电路(IC)芯片上的应力的分量的确定简化的方法及装置。在一个实施例中，应力分量中的一者在应力传感器内被消去，使得可直接测量应力分量而无需额外电路组件。所述方法对两个应力分量同样敏感，这减轻了所述补偿电路中的信息处理。此外，所揭示实施例实现这些优势而不需要在后处理时执行复杂数学计算。
在一个方面中，揭示一种集成电路的实施例。所述集成电路包含：衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴[100]的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；第一应力感测元件，其形成于所述衬底中且经耦合以使第一电流从中穿过，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；及第二电阻器，其与所述第一电阻器串联耦合且经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，其中所述第二电阻器的电阻与所述第一电阻器的电阻的比率等于值α，α等于所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数的比率。
在另一方面中，揭示一种集成电路的实施例。所述集成电路包含：衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；及第一应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第一电阻器经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上，第一电压是在所述第一电流源与所述第一电阻器之间获取；及第二电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第二电阻器经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，第二电压是在所述第二电流源与所述第二电阻器之间获取，由所述第一电流源提供的电流与由所述第二电流源提供的电流的比率等于α，α等于所述第二电阻率系数与所述第一电阻率系数的比率；及第一组合电路，其经耦合以将所述第一电压与所述第二电压相加，且提供和与所述第二方向相关联的应力分量成比例的第三电压。
在又一方面中，揭示一种集成电路的实施例。所述集成电路包含：衬底，衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；第一应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第一电阻器经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；第二电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第二电阻器经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在正交于所述第一方向及所述第二方向两者的第三方向上，所述第一电流源及所述第二电流源各自提供给定电流；及第一差分电路，其经耦合以接收在所述第一电阻器与所述第一电流源之间获取的第一电压及在所述第二电阻器与所述第二电流源之间获取的第二电压，所述第一差分电路提供等于所述第一电压与所述第二电压之间的差的第三电压。
附图说明
在随附图式的各图中以实例方式而非限制方式图解说明本发明的实施例，在图中相似参考指示类似元件。应注意，对本发明中的“一”或“一个”实施例的不同提及未必是指同一实施例，且这些提及可意指至少一者。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，应认为：在所属领域的技术人员的知识范围内结合其它实施例实现此特征、结构或特性，而无论是否明确描述。如本文中所使用，术语“耦合(couple或couples)打算意指间接电连接或直接电连接，除非限定为可包含无线连接的“可以通信方式耦合”。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可以是通过直接电连接或通过经由其它装置及连接的间接电连接。
随附图式被并入到说明书中并形成说明书的一部分以图解说明本发明的一或多个示范性实施例。将从结合所附权利要求书且参考附图作出的以下详细描述理解本发明的各种优势及特征，在附图中：
图1A描绘根据本发明的实施例的提供横向于[100]晶体轴的应力分量的应力感测元件的实例；
图1B描绘根据本发明的实施例的电阻器的实例，所述电阻器可以是应力感测元件的一部分；
图1C描绘根据本发明的实施例的提供纵向于[100]晶体轴的应力分量的应力感测元件的实例；
图2A描绘根据本发明的实施例的可用于形成应力感测元件以确定纵向于且横向于[100]晶体轴的应力分量的两个电阻器；
图2B描绘根据本发明的实施例的电路，在所述电路中图2A的两个电阻器可用于形成应力感测元件以确定横向于[100]晶体轴的应力分量的；
图2C描绘根据本发明的实施例的电路，在所述电路中图2A的两个电阻器可用于形成应力感测元件以确定纵向于[100]晶体轴的应力分量；
图3A描绘根据本发明的实施例的电路，在所述电路中图2A的电阻器中的一者可用于与垂直电阻器结合以形成应力感测元件以确定横向于[100]晶体轴的应力分量；
图3B描绘根据本发明的实施例的电路，在所述电路中图2A的电阻器中的一者可用于与垂直电阻器结合以形成应力感测元件以确定纵向于[100]晶体轴的应力分量；
图4及5描绘可实施于所揭示实施例中的实例性侧向电阻器；
图6A及6B描绘可实施于所揭示实施例中的实例性垂直电阻器；
图7A描绘根据本发明的实施例的提供数字应力信息的应力传感器的高级实例；
图7B描绘根据本发明的实施例的图7A的电路的实例性实施方案；
图8描绘根据本发明的实施例的含有可并入应力传感器的谐振器与驱动电路的IC芯片的实例；
图9A描绘与相对于[100]晶体轴的应力定向相关的电阻改变与原始电阻的比率的曲线图；
图9B描绘根据本发明的实施例的额外电阻器，其可用于提供曲线图900A中所提供的在45度下及在135度下的相同值之间的区分；
图9C描绘根据本发明的实施例的可在其中实施图9B的电阻器的电路；
图10A描绘用于本发明的实施例中的{100}p型晶片的晶体轴及晶片上的X-Y轴定向；
图10B描绘根据本发明的实施例的关于晶片平面的三维轴及所关注应力向量；且
图11描绘RC张弛振荡器的输出频率，所述振荡器的频率对沿着两个正交轴的应力作出响应。
具体实施方式
现在将详细地参考附图描述本发明的具体实施例。在对本发明的实施例的以下详细描述中，陈述众多具体细节以便提供对本发明的更透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明了，可在无这些具体细节的情况下实践本发明。在其它例子中，众所周知的特征未予以详细地描述以免使描述不必要地复杂。
如先前所述，机械应力影响至少一些半导体元件的各种参数，影响方式取决于元件相对于半导体衬底的晶体结构的相对定向。首先参考图10A及10B，展示本申请案中所使用的方向标示。半导体晶片(例如，硅晶片)是从单个晶体棒锯割下来，使得晶片表面关联到结晶平面。为了确定立方晶体中的相应平面，使用所谓的“密勒指数(Miller indices)”，所述指数由波形括号指示。图10A描绘在{100}平面中被切割且配备有“主平面”的p型半导体晶片的俯视图。尽管并非是限制，除非另有陈述，但本文中所提供的实例利用在{100}平面中切割的p型半导体晶片。
在图10A中，在半导体晶片1000A的平面中图解说明四个结晶方向或轴V、W、X、Y。W轴垂直于主平面延伸且与[110]晶体轴重合，而V轴平行于主平面延伸。通常，电路结构内的正方形几何形状的边缘平行或垂直于主平面而在半导体芯片上延伸。X轴与[110]晶体轴成45度角且与[100]晶体轴重合，而Y轴与X轴成90度角。通常参考[100]晶体轴来描述应力感测元件的所揭示实施例，但此不应被视为限制因素。对应于X轴及Y轴的压阻坐标反映电阻对应力的敏感度且在本文中由希腊字母π表示。沿着X轴出现的应力在本文中被称为纵向于[100]晶体轴出现且具有压阻坐标πLong，而沿着Y轴出现的应力被称为横向于[100]晶体轴出现且具有压阻坐标πTran。
图10B图解说明半导体晶片1000B的三维区段且展示笛卡尔(Cartesian)坐标。X轴及Y轴在半导体晶片的平面中延伸且对应于图10A中所图解说明的X轴及Y轴，而Z轴垂直于半导体晶片的平面延伸。出现于半导体晶片1000B上的应力由符号σ标示。应力并非标量值而是张量值，其具有六个分量：三个法向应力，展示为σXX、σYY、σZZ；及三个剪切应力σXY、σXZ、σYZ(未具体展示)。虽然由于所有电路元件通常受至少两个应力分量影响因此仅测量单个应力分量通常并不够，但封装型集成电路芯片的结构通常是分层式的这一事实准许限制在仅测量位于晶片的平面中的两个应力分量(即σXX、σYY)，或者测量图10B中所展示的所有三个应力分量(即σXX、σYY、σZZ)。其余应力分量本质上小到可忽略不计且对电子电路组件仅具有很小的影响。
图11是来自参考文献2016年M.默茨(M.Motz)、U.奥瑟莱克多(U.Ausserlechner)、施普林格(Springer)的“精密模拟电路中的机械应力漂移的电补偿(ElectricalCompensation of Mechanical Stress Drift in Precision Analog Circuits)”，且论证在应力被施加到上面有实施振荡器的芯片时电阻器/电容器(RC)张弛振荡器的输出频率的漂移百分比。此图论证对在两个正交方向上的应力的响应差异。在此实例中，可看到，沿着X轴的应力(即σXX)比沿着Y轴的应力(即σYY)导致更大的振荡器频率移位。另外，可注意到σXX致使输出频率增大，而σYY致使输出频率减小。这些响应的量值取决于半导体元件的定向以及用于形成半导体元件的掺杂的类型及水平。
以下表1是从参考文献，即1954年的《物理评论》(Phys.Rev.)第94卷第42到49页C.S.史密斯(C.S.Smith)的“锗及硅的压阻效应”摘录，其提供压电系数与对压电材料硅的标准CMOS处理中所利用的电阻器元件的典型掺杂类型、掺杂水平及定向相关联。如果所揭示实施例关于两个单独晶体定向的应力敏感度显示相反正负号，那么所揭示实施例也可利用其它光电材料。
表1
所揭示的应力感测方法依赖于具有相反极性的纵向与横向压阻系数对。在所揭示实施例中，纵向于及横向于<100>轴的N型电阻器已被选定为本申请案中的实例且其压阻系数在表1中以粗体展示。纵向于及横向于<110>轴的N型电阻器均具有负极性且因此不适合用于所揭示实施例中，但对准成纵向于及横向于<100>轴或者纵向于及横向于<110>轴的P型电阻器可用于本发明的实施例中。
转到图1A，展示第一应力感测元件100A，其经配置以提供与应力分量σXX成比例的值。应力感测元件100A是N型应力感测元件且在互补金属氧化硅(CMOS)过程中将通常含有N阱电阻器或N型源极/漏极(NSD)电阻器，但其它类型的电阻器也可用于所揭示过程中。在替代实施例中，应力感测元件100A利用P型电阻器且在下文所论述的方程式中使用对应于P型电阻器的压阻系数。在所展示实施例中，电阻器R1、R2经对准使得通过电阻器R1、R2中的每一者的主电流流动方向纵向于或横向于<100>晶体轴。应注意，电阻器也可经定向以提供纵向于或横向于<110>晶体轴的主流动方向，但本定向及掺杂已经选定是因为其提供与相应电阻器相关联的压阻系数的最大差。
图1B描绘应力感测元件100的电阻器R1的实例，以便描述放大对单个压阻系数的敏感度的实例性电阻器的结构。电阻器R1通常是通过将低剂量的N型掺杂物植入到若干个电阻器条带102中而形成，电阻器条带102被对准成纵向于或横向于所要晶体轴且沿着电阻器条带102的长度提供基本上恒定电阻。电阻器条带102由低电阻连接器104结合，低电阻连接器104在基本上垂直于所要轴的方向上传导电流但增加极小的电阻，使得电阻器R1的总电阻取决于电阻器条带102的定向；应理解，可以类似方式或使用主要沿着所要轴提供电阻的任何其它技术来构造图中所展示的其它电阻器。
返回到图1A，电阻器R1经定向使得R1中的主电流方向纵向于<100>晶体轴，且电阻器R2经定向使得R2中的主电流方向横向于<100>晶体轴。对于实施于硅中且相对于[100]晶体轴而定向的N型电阻器来说，纵向压阻系数πLong是﹣102.2％/GPa且横向压阻系数πTran是53.4％/GPa。以下两个方程式适用：
ΔRLong＝R·(πLONG·σXX+πTRAN·σYY) 方程式1
ΔRTRAN＝R·(πTRAN·σXX+πLONG·σYY) 方程式2
其中ΔRLONG是沿着y轴的电阻改变，ΔRTRAN是图1A中所展示的沿着x轴的电阻改变，且R是在不施加应力时电阻器的电阻。假设电阻器R1与电阻器R2具有类似掺杂物且具有类似宽度，那么在一个实施例中，电阻器R1的长度与电阻器R2的长度之间的比率(例如LR1/LR2)经设计成等于值α，α等于πTran/πLong，在图解说明实例中是53.4/102.2或约0.52。如在图1A中所见，电阻器R1与R2串联耦合于节点A与节点B之间，接着节点A与节点B可经耦合(未具体展示)以提供通过应力感测元件100A的电流。由于串联耦合电阻器的电阻可表达为个别电阻的总和，那么因此沿着所述应力感测元件100A的X轴的电阻可阐述为：
ΔRXX＝α·ΔRLONG+ΔRTRAN 方程式3
通过选择值α来反映πTran与πLong之间的比率，以数学方式消去σYY的值，使得ΔRXX变得与σXX成比例。当所揭示实施例实施于硅中时，
ΔRXX＝R·(2.914-140.78e-11Pa-1·σXX) 方程式4
图1C描绘经配置以提供与应力分量σYY成比例的值的第二应力感测元件100C。应力感测元件100C也是N型应力感测元件且将通常含有与为应力感测元件100A选择的电阻器类型相对应的N阱电阻器或NSD电阻器。电阻器R3、R4也经对准使得通过电阻器R3、R4中的每一者的主电流流动方向纵向于或横向于<100>晶体轴。电阻器R3是N型电阻器，其主流动方向纵向于<100>晶体轴，且电阻器R4是N型电阻器，其主流动方向横向于<100>晶体轴。如在先前实例中，电阻器也可经定向以提供纵向于或横向于<110>晶体轴的主流动方向，或在压阻系数适当改变的情况下，可利用P型电阻器。图1A与图1C之间的差异是电阻器R3与R4之间的比率是电阻器R1与R2之间的比率的倒数，即在所揭示实施例中LR3/LR4等于πLong/πTran。
应力感测元件100C具有与应力感测元件100A相同的掺杂及定向，且电阻器R3与R4串联耦合于节点C与节点D之间，节点C与节点D经耦合(未具体展示)以提供通过应力感测元件100C的电流。以上方程式1及2仍适用。那么，沿着应力感测元件100C的Y轴的电阻可被表达为：
ΔRYY＝ΔRLONG+α·ΔRTRAN 方程式5
在此方程式中，σXX的值以数学方式消去，使得ΔRYY与沿着Y轴的应力σYY成比例。当所揭示实施例实施于硅中时，
ΔRYY＝R(2.914–140.78e-11Pa-1·σYY) 方程式6
如已展示，所揭示实施例仅通过实施应力感测元件100A及100C而提供直接感测在纵向于及横向于选定晶体轴的定向上的应力分量的简单方法。
应力感测元件100A、100C利用值α来确定电阻器R1与R2之间以及电阻器R3与R4之间的电阻比率以消掉应力分量中的一者。图2A到2C描绘其中值α用于设定被驱动通过具有相同电阻的单独电阻器的电流的比率的替代实施例。图2A描绘可用于形成感测元件的电阻器RTRAN及RLONG的套组200A。套组200A含有：电阻器RTRAN，其经定向以主要在横向方向上传导电流；及电阻器RLONG，其经定向以主要在纵向方向上传导电流。然而，并非如应力感测元件100A、100C的实施例一样地串联耦合，而是电阻器RTRAN及RLONG用于图2B及图2C中所展示的电路中。
在应力感测元件200B中，电阻器RLONG 202耦合于第一电流源CS1与下部轨之间；电压VLONG 208从电流源CS1与电阻器RLONG 202之间的点获取。类似地，电阻器RTRAN204耦合于第二电流源CS2与下部轨之间；电压VTRAN 210从电流源CS2与RTRAN 204之间的点获取。如图2B中所见，电流源CS2所提供的电流等于值I且电流源CS1所提供的电流等于α·I。电压VLONG 208及VTRAN 210被提供到第一组合电路206，第一组合电路206增加VLONG及VTRAN的值以获得电压VXX，电压VXX与被横向于电阻器而相对定向的相应晶体轴的应力分量成比例。组合电路206可实施为切换式电容器电路，其为所属领域的技术人员所熟知且本文中不加以进一步阐释。以下方程式适用：
ΔVLONG＝I1·ΔRLONG＝(α·I2)·ΔRLONG 方程式7
ΔVTRAN＝I2·ΔRTRAN 方程式8
应力感测元件200B可使用以下方程式来确定x方向上的应力分量：
ΔVXX＝ΔVLONG+ΔVTRAN＝(α·ΔRLONG+ΔRTRAN)·I2 方程式9
在应力感测元件200C中，电阻器RLONG 212耦合于第三电流源CS3与下部轨之间；电压VLONG 218从电流源CS3与电阻器RLONG 212之间的点获取。类似地，电阻器RTRAN214耦合于第四电流源CS4与下部轨之间；电压VTRAN 220从电流源CS4与RTRAN之间的一点获取。如图2C所见，电流源CS3所提供的电流等于值I且电流源CS4所提供的电流等于α·I。电压VLONG 218及VTRAN 220被提供到第二组合电路216，第二组合电路216增加VLONG 218及VTRAN 220的值以获得电压VYY，电压VYY与纵向于相应晶体轴的应力分量成比例。组合电路216也可被实施为切换式电容器电路。以下方程式适用：
ΔVLONG＝I2·ΔRLONG 方程式10
ΔVTRAN＝I1·ΔRTRAN＝(α·I2)·ΔRTRAN 方程式11
应力感测元件200C可使用以下方程式来确定方向上的应力分量：
ΔVYY＝ΔVLONG+ΔVTRAN＝(ΔRLONG+α·ΔRTRAN)·I2 方程式12
图3A及3B中描绘应力感测元件300A、300B的第三实施例，其中每一电阻器套组中的一个电阻器实施于z方向上。此第三实施例也利用耦合于电流源与下部轨之间的电阻器，但并不依赖于基于α的电流之间的关系。此实施例中的电流传感器中的每一者将电流I提供到相应电阻器。应力感测元件300A含有电阻器RLONG 302，所述电阻器耦合于电流源CS5与下部轨之间；电流源CS5提供电流I。应力感测元件300A含有电阻器RZ 304，电阻器RZ 304经定向以主要在z方向上传导电流且耦合于电流源CS6与下部轨之间；电流源CS6也提供电流I。从电流源CS5与电阻器RLONG 302之间的点获取的电压VLONG 308及从电流源CS6与电阻器RZ 304之间的点获取电压VZ 310中的每一者被提供到差分电路306。差分电路306提供电压VD 312，电压VD 312是VLONG 308与VZ 310之间的差。方程式1与2在此实施例中相关；以下方程式也适用：
ΔRZ＝R·(πTRAN·(σXX+σYY)) 方程式13
可通过调整电阻器的相应长度设定方程式13中所表达的关系。x方向上的应力分量变成：
ΔRXX＝ΔRLONG–ΔRZ 方程式14
当实施于硅中时，方程式14变成：
ΔRXX＝R(-155.6e-11Pa-1·σXX) 方程式15
类似地，应力感测元件300B含有电阻器RTRAN 322，电阻器RTRAN 322耦合于电流源CS7与下部轨之间；电流源CS7提供电流I。应力感测元件300B还含有电阻器RZ 324，电阻器RZ324经定向以主要在z方向上传导电流且耦合于电流源CS8与下部轨之间；电流源CS8也提供电流I。从电流源CS7与电阻器RTRAN 322之间的点获取的电压VTRAN 328及从电流源CS8与电阻器RZ 324之间的点获取的电压VZ 330中的每一者被提供到差分电路326。差分电路326提供电压VD 332，电压VD 332是VTRAN与VZ之间的差。使用方程式1、2及13，y方向上的应力分量变成：
ΔRYY＝ΔRTRAN–ΔRZ 方程式16
当实施于硅中时，方程式16变成：
ΔRYY＝R(-155.6e-11Pa-1·σYY) 方程式17
图4及5描绘可用于实施被定向成纵向于或横向于晶体轴的电阻器(即电阻器R1、R2、R3、R4、RLONG及RTRAN)的两个实例性电阻器。图4描绘N阱电阻器400，但电阻器400也可实施为P阱电阻器。在此实例性实施例中，衬底402上生长有外延层404。N阱区406被植入且P阱区410邻近N阱406而被植入以提供隔离，接着N型源极/漏极植入物408被植入以形成电阻器400的接触区。浅沟槽隔离部412提供邻近结构的额外隔离。在沉积中间层电介质414之后，将触点418形成到电阻器的端点且形成金属化层416以将电阻器400耦合到其它结构。在至少一个实施例中，N阱406用于形成图1B中所展示的电阻器条带102中的每一者，而金属化层416形成将电阻器条带102耦合到彼此以及耦合到其它组件的低电阻连接器104。N阱与P阱电阻器的优势包含较高敏感度及较高薄层电阻。劣势可包含电阻率的温度相依性及压阻系数的敏感度的较高温度相依性。
图5描绘N型源极/漏极(NSD)电阻器500，但此结构也可用于形成根据本发明的实施例的P型源极/漏极(PSD)电阻器。在所描绘实施例中，外延层504生长于衬底502上且P阱506被植入于外延层504的表面上以用于隔离。浅沟槽隔离部508提供邻近结构的分离。N型源极/漏极植入物形成传导区510。在沉积中间层电介质512之后，形成通孔514以接触电阻器的端点且沉积金属化层516并将其图案化以将电阻器500耦合到其它结构。金属化层516也可用于形成先前所论述的低电阻连接器104。NSD或PSD电阻器的优势可包含压阻系数的较低温度相依性，而劣势可包含较低敏感度及较低薄层电阻。
图6A及6B描绘可用于实施所揭示实施例中的垂直电阻器(例如，RZ 310、324)的两个实例性垂直电阻器。电阻器600A是N型电阻器，但电阻器600A也可实施为P型电阻器。深N阱604被植入到P型衬底602中，P型衬底602可包含外延层(未具体展示)。深N阱604形成埋层。N阱606被植入到衬底602的表面中以接触深N阱604的相对端，后续接着植入P阱608。接着形成介电层110以覆盖衬底602的表面。接触区612被植入于N阱区606中且接触区614被植入于P阱区608中。沉积中间层电介质616之后，接着形成通到N型接触区612及P型接触区614的通孔618，后续接着形成金属化层620。通过将由深N阱604形成的埋层的掺杂适当设定得重于N阱区606的掺杂，电阻器600A中的水平电阻被最小化且电阻主要是垂直的。
电阻器600B是可在所揭示实施例中用作垂直晶体管的电阻器600B的第二实例。电阻器600B也实施为N型电阻器，但也可实施为P型电阻器。在此实施例中，衬底630是P型的且可含有外延层(未具体展示)。N阱区632被植入于衬底630中，P阱区634也被植入于衬底630中。在形成介电层636之后，N型接触区638A、638B形成于N阱632的由P阱634A分离的两个区中；P型接触区640也形成于P阱634中。接着沉积中间层电介质642，后续接着形成通到接触区638、640及金属化层646中的每一者的通孔644。通过迫使触点638A与638B之间的电流垂直流动以克服P阱634A的存在且通过将触点638A与638B之间的水平距离最小化，可实现主要电阻在垂直方向上的电阻器600B。应理解，图式且具体来说这些电阻器600的图式未必按比例绘制。
图7A描绘根据本发明的实施例的提供数字应力信息的应力传感器700A的高水平实例。应力传感器702接收来自所揭示电阻器对(未具体展示)的应力分量σXX、σYY的值且将模拟信号704提供到模/数转换器(ADC)706，接着ADC 706提供数字信号708。此数字信号可用于许多目的(例如，机器人学中的压力测量)，用于医学植入物(例如，人造皮肤)且用于补偿应力对集成电路的影响。
图7B描绘根据本发明的实施例的图7A的电路的实例性实施方案。电路700B含有提供模拟信号730的两个串联耦合电阻器对。电阻器对712确定σYY的值且可对应于应力感测元件100C、200C、300B中的任一者。类似地，电阻器对714确定σXX的值且可对应于应力感测元件100A、200B、300A中的任一者。模拟信号730被提供到跟踪与保持电路716，跟踪与保持电路716将电压VIN提供到比较器718的非反相输入。N位数/模转换器(DAC)722将电压VDAC提供到比较器718的反相输入。比较器718的输出被提供到逐步逼近寄存器(SAR)ADC，所述逐步逼近寄存器(SAR)ADC包含SAR逻辑724且将比较器值转换成N位值，将所述N位值存储于N位寄存器726中。N位值设置为数字信号728且也被提供到N位DAC 722以作为反馈回路的一部分。参考电路720将参考电压VREF提供到N位DAC 722。
图8描绘根据本发明的实施例的含有电路801的IC芯片800，电路801包含谐振器802及驱动电路。频率补偿电路804对来自谐振器802的经调谐频率f与来自集成振荡器806的第二频率进行比较且向集成振荡器806提供频率调整。温度传感器808提供温度信息，所述温度信息可用于稳定由于温度改变所致的输出频率的漂移。假设温度恒定，当应力传感器810(例如，所揭示的应力传感器实施例)被添加到电路801时，应力传感器810可用于在应力改变时重新校准集成振荡器806以维持+/-百万分之20(ppm)的准确度。应力传感器810也可补偿由封装、焊接及随着产品的生命周期而出现的板翘曲所导致的应力。
图9A针对与X轴相关联的应力分量(即，(ΔR/R)XX)及与Y轴相关联的应力分量(即，(ΔR/R)YY)两者而以曲线图说明随着应力定向相对于[100]晶体轴的改变电阻改变与原始电阻的比率。从此曲线图，可看到当沿着X轴电阻改变最大时，沿着Y轴电阻改变最小且反之亦然。在从[100]晶体轴偏移45度的角度下，沿着X轴及沿着Y轴的电阻的改变值是相等的。在其中在具有相等值的这些点之间作出区分很重要的应用中，可采用图9B中所展示的两个额外电阻器。在IC 900B中，电阻器R9经定向以在横向于[110]晶体轴的主要方向上传导电流，[110]晶体轴从[100]晶体轴偏移45度，且电阻器R10经定向以在纵向于[110]晶体轴的主要方向上传导电流。如图9C中所展示，电阻器R9耦合于电流源CS9与下部轨之间，且电阻器R10耦合于电流源CS10与下部轨之间。电压V9是在电流源CS9与电阻器R9之间获取且被提供到差分电路906；电压V10是在电流源CS10与电阻器R10之间获取且也被提供到差分电路906。差分电路906提供电压VD 912，电压VD 912提供电压V9与电压V10之间的差。电压VD 912的改变(即，(ΔR/R)WW)提供与图9A中的另外两个波形类似的波形，但偏移了45度。纵向于或横向于[110]轴对准的电阻器中的电阻变化小于纵向或横向于[100]轴对准的电阻器中的电阻且在其中(ΔR/R)XX与(ΔR/R)YY具有相同值的点处达到最大值或最小值。因此，电阻器R9及R10可用于在类似点之间作出区分。
申请者已揭示了被定向成沿着选定晶体轴及相对于选定晶体轴正交的应力感测元件。在一个实施例中，应力感测元件是被定向成沿着及正交于[100]晶体轴的电阻器。在此实施例中，电阻器可以是N型或P型电阻器。在一个实施例中，应力感测元件是被定向成沿着及正交于[110]晶体轴的电阻器；在此实施例中，电阻器是P型电阻器。所述所揭示应力感测元件可经设计以通过选择形成每一应力感测元件的两个电阻器的值而消掉应力感测元件中的非所要应力分量。所揭示应力感测元件提供应力分量的直接分离，而无需额外电路组件。应力感测元件提供对两个应力分量的相等敏感度，这可减轻相关联补偿电路中的信息处理。尽管此申请案中未具体地展示许多实例，但所揭示应力分量也可用于提供应力反馈的应用中，例如机器人学中或医学植入物(例如人造皮肤)。
尽管已详细展示及描述各种实施例，但权利要求书不限于任何特定实施例或实例。上述详细说明中无一者应视为暗示任何特定组件、元件、步骤、动作或功能是必要的使得其必须包含于权利要求书的范围中。以单数形式提及元件并不意味着“一个且仅一个”(除非如此明确陈述)，而是“一或多个”。所属领域的技术人员熟知的上文所描述实施例的元件的所有结构及功能等效形式以引用方式明确并入本文中且打算由本发明权利要求书涵盖。因此，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的示范性实施例可在下文所附权利要求书的精神及范围内以各种修改及变更来实践。

Claims (17)

1.一种集成电路IC芯片，其包括：
衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；及
第一应力感测元件，其形成于所述衬底中且经耦合以使第一电流从中穿过，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；及第二电阻器，其与所述第一电阻器串联耦合且经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，其中所述第二电阻器的电阻与所述第一电阻器的电阻的比率等于值α，α等于所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数的比率。
2.根据权利要求1所述的IC芯片，其中所述第一电流的改变与施加于所述IC芯片的应力的第一应力分量成比例，所述第一应力分量横向于所述第一晶体轴。
3.根据权利要求1所述的IC芯片，其进一步包括第二应力感测元件，所述第二应力感测元件形成于所述衬底中且经耦合以使第二电流从中穿过，所述第二应力感测元件包括：第三电阻器，其经对准使得通过所述第三电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；及第四电阻器，其与所述第三电阻器串联耦合且经对准使得通过所述第四电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，其中所述第三电阻器的电阻与所述第四电阻器的电阻的比率等于所述值α。
4.根据权利要求3所述的IC芯片，其中所述第二电流的改变与施加于所述IC芯片的所述应力的第二应力分量成比例，所述第二应力分量纵向于所述第一晶体轴。
5.根据权利要求4所述的IC芯片，其中所述IC进一步包括频率补偿电路，所述频率补偿电路经耦合以从所述第一应力感测元件及所述第二应力感测元件接收输入。
6.根据权利要求5所述的IC芯片，其中所述IC进一步包括振荡器，所述振荡器经耦合以从所述补偿电路接收频率调整。
7.根据权利要求3所述的IC芯片，其进一步包括形成于所述衬底中的第三应力感测元件，所述第三应力感测元件包括：
第五电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第五电阻器经对准使得通过所述第五电阻器的主电流流动方向在第三方向上，所述第三方向基本上纵向于与所述第一晶体轴不同的第二晶体轴；
第六电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第六电阻器经对准使得通过所述第六电阻器的主电流流动方向在基本上横向于所述第二晶体轴的第四方向上，其中由所述第一电流源提供的电流等于由所述第二电流源提供的电流；及
差分电路，其经耦合以从所述第五电阻器与第五电流源之间的点接收第一电压且从所述第六电阻器与第六电流源之间的点接收第二电压，且提供等于所述第一电压与所述第二电压之间的差的第三电压。
8.一种集成电路IC芯片，其包括：
衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；及
第一应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第一应力感测元件包括
第一电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第一电阻器经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上，第一电压是在所述第一电流源与所述第一电阻器之间获取，及
第二电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第二电阻器经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，第二电压是在所述第二电流源与所述第二电阻器之间获取，由所述第一电流源提供的电流与由所述第二电流源提供的电流的比率等于α，α等于所述第二电阻率系数与所述第一电阻率系数的比率，及
第一组合电路，其经耦合以将所述第一电压与所述第二电压相加，且提供和与所述第二方向相关联的应力分量成比例的第三电压。
9.根据权利要求8所述的IC芯片，其进一步包括：
第二应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第二应力感测元件包括
第三电阻器，其耦合于第三电流源与所述下部轨之间，所述第三电阻器经对准使得通过所述第三电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上，第四电压是在所述第三电流源与所述第三电阻器之间获取，
第四电阻器，其耦合于第四电流源与所述下部轨之间，所述第四电阻器经对准使得通过所述第四电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，第五电压是在所述第四电流源与所述第四电阻器之间获取，由所述第三电流源提供的电流与由所述第四电流源提供的电流的比率等于α，及
第二组合电路，其经耦合以将所述第四电压与所述第五电压相加以提供和与所述第一方向相关联的应力分量成比例的第六电压。
10.根据权利要求9所述的IC芯片，其中所述IC进一步包括频率补偿电路，所述频率补偿电路经耦合以从所述第一应力感测元件及所述第二应力感测元件接收输入。
11.根据权利要求10所述的IC芯片，其中所述IC进一步包括振荡器，所述振荡器经耦合以从所述补偿电路接收频率调整。
12.根据权利要求11所述的IC芯片，其进一步包括形成于所述衬底中的第三应力感测元件，所述第三应力感测元件包括：
第五电阻器，其耦合于第五电流源与所述下部轨之间，所述第五电阻器经对准使得通过所述第五电阻器的主电流流动方向在第三方向上，所述第三方向基本上纵向于与所述第一晶体轴不同的第二晶体轴；
第六电阻器，其耦合于第六电流源与所述下部轨之间，所述第六电阻器经对准使得通过所述第六电阻器的主电流流动方向在基本上横向于所述第二晶体轴的第四方向上，其中由所述第一电流源提供的电流等于由所述第二电流源提供的所述电流；及
差分电路，其经耦合以接收从所述第五电阻器与所述第五电流源之间的点获取的第七电压及从所述第六电阻器与所述第六电流源之间的点获取的第八电压，且提供等于所述第七电压与所述第八电压之间的差的第九电压。
13.一种集成电路IC芯片，其包括：
衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；
第一应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第一应力感测元件包括
第一电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第一电阻器经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上，
第二电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第二电阻器经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在正交于所述第一方向及所述第二方向两者的第三方向上，所述第一电流源及所述第二电流源各自提供给定电流，及
第一差分电路，其经耦合以接收在所述第一电阻器与所述第一电流源之间获取的第一电压及在所述第二电阻器与所述第二电流源之间获取的第二电压，所述第一差分电路提供等于所述第一电压与所述第二电压之间的差的第三电压。
14.根据权利要求13所述的IC芯片，其进一步包括形成于所述衬底中的第二应力感测元件，所述第二应力感测元件包括
第三电阻器，其耦合于第三电流源与所述下部轨之间，所述第三电阻器经对准使得通过所述第三电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，及
第四电阻器，其耦合于第四电流源与所述下部轨之间，所述第四电阻器经对准使得通过所述第四电阻器的主电流流动方向在所述第三方向上，由所述第三电流源及所述第四电流源中的每一者提供的电流等于所述给定电流，及
第二差分电路，其经耦合以接收在所述第三电阻器与所述第三电流源之间获取的第四电压及在所述第四电阻器与所述第四电流源之间获取的第五电压，所述第二差分电路提供等于所述第四电压与所述第五电压之间的差的第六电压。
15.根据权利要求14所述的IC芯片，其进一步包括频率补偿电路，所述频率补偿电路经耦合以从所述第一应力感测元件及所述第二应力感测元件接收输入。
16.根据权利要求15所述的IC芯片，其中所述IC进一步包括振荡器，所述振荡器经耦合以从所述补偿电路接收频率调整。
17.根据权利要求14所述的IC芯片，其进一步包括形成于所述衬底中的第三应力感测元件，所述第三应力感测元件包括：
第五电阻器，其耦合于第五电流源与所述下部轨之间，所述第五电阻器经对准使得通过所述第五电阻器的主电流流动方向在第四方向上，所述第四方向基本上纵向于与所述第一晶体轴不同的第二晶体轴；
第六电阻器，其耦合于第六电流源与所述下部轨之间，所述第六电阻器经对准使得通过所述第六电阻器的主电流流动方向在基本上横向于所述第二晶体轴的第五方向上，其中由所述第一电流源提供的电流等于由所述第二电流源提供的电流；及
差分电路，其经耦合以从所述第五电阻器与所述第五电流源之间的点接收第七电压且从所述第六电阻器与所述第六电流源之间的点接收第八电压，且提供等于所述第七电压与所述第八电压之间的差的第九电压。
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