JP2010239138A - 集積回路装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸化バナジウムからなるセンサ部材を備えた集積回路装置において、過大な電流によりセンサ部材が破壊されることがなく、信頼性が高い集積回路装置を提供する。
【解決手段】半導体集積回路装置1において、電源電位配線から接地電位配線に向かって、温度モニタ部材R2及びR1を直列に接続すると共に、温度モニタ部材R3及びR4を直列に接続する。温度モニタ部材R1及びR3は酸化バナジウムにより形成し、シート層5に配置する。また、温度モニタ部材R2及びR4はアモルファスシリコンにより形成する。そして、出力端子Vout1及びVout2に接続された差動増幅部を設ける。
【選択図】図1
【解決手段】半導体集積回路装置1において、電源電位配線から接地電位配線に向かって、温度モニタ部材R2及びR1を直列に接続すると共に、温度モニタ部材R3及びR4を直列に接続する。温度モニタ部材R1及びR3は酸化バナジウムにより形成し、シート層5に配置する。また、温度モニタ部材R2及びR4はアモルファスシリコンにより形成する。そして、出力端子Vout1及びVout2に接続された差動増幅部を設ける。
【選択図】図1
Description
本発明は、酸化バナジウムからなるセンサ部材を備えた集積回路装置に関する。
近時、集積回路装置において、熱による素子の破壊を防止すること、及びその特性が温度依存性を持つ素子の動作を安定化することを目的として、集積回路装置の動作温度をモニタする必要性が高まってきている。
このため、例えば、半導体集積回路装置内において、LSI(Large Scale Integrated
circuit:大規模集積回路)と同一の基板上に温度センサを設け、この温度センサによって検出される温度が所定値を超えたときに、異常過熱と判断してLSIを遮断状態とすることにより、LSIを温度上昇による熱破壊から保護する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、このような温度センサとして、寄生pn接合ダイオードを使用する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
circuit:大規模集積回路)と同一の基板上に温度センサを設け、この温度センサによって検出される温度が所定値を超えたときに、異常過熱と判断してLSIを遮断状態とすることにより、LSIを温度上昇による熱破壊から保護する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、このような温度センサとして、寄生pn接合ダイオードを使用する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
しかしながら、温度センサとして寄生pnダイオードを使用する技術においては、寄生pn接合ダイオードの電気抵抗値の温度係数が0.2(%/K)程度と低く、十分なSNR(Signal-to-Noise Ratio:信号対雑音比)を得ることができないという問題点がある。
そこで、電気抵抗率の温度係数の絶対値が大きい抵抗体として、酸化バナジウム膜を使用することが知られている(例えば、特許文献3参照)。
一方、赤外線カメラの受光部に熱型赤外線検出器を設け、この熱型赤外線検出器の各画素に酸化バナジウム膜を設け、この酸化バナジウム膜の電気抵抗値を検出することにより、各画素が受光した赤外線の強度を検出する技術が開示されている(例えば、特許文献4参照。)。
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示す問題点がある。酸化バナジウム膜を温度センサ又は赤外線センサとして使用する場合は、この酸化バナジウム膜に電流を流す必要がある。しかしながら、酸化バナジウム膜に過大な電流を流すと、この電流によって酸化バナジウム膜が破壊されてしまい、センサとして機能しなくなる。
従来、半導体集積回路装置の温度センサとして酸化バナジウム膜を使用した例はなく、酸化バナジウム膜を破壊せずに流すことができる電流の上限値は不明であった。しかし、近時、半導体集積回路装置の温度を精密に測定する必要が高まっており、温度センサとして酸化バナジウム膜を使用する必要が生じつつある。
また、赤外線カメラの赤外線センサとして酸化バナジウム膜を使用する場合には、マトリクス状に配列された複数の画素において各画素を形成する酸化バナジウム膜に電流を流しているが、各酸化バナジウム膜に流れる電流はパルス状であるため、電流により酸化バナジウム膜が破壊されるということはあまり起こらなかった。しかし、将来、赤外線カメラの画素数が増加し、これに伴って、各画素を形成する酸化バナジウム膜が小さくなり、酸化バナジウム膜に流すことができる電流の上限値が低下することが予想される。このため、抵抗値検出用の電流により、酸化バナジウム膜が破壊されることが予想される。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、酸化バナジウムからなるセンサ部材を備えた集積回路装置において、過大な電流によりセンサ部材が破壊されることがなく、信頼性が高い集積回路装置を提供することを目的とする。
本発明に係る集積回路装置は、基板と、この基板上に設けられ酸化バナジウムにより形成され温度に応じて電気抵抗値が変化するセンサ部材と、を有し、前記センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が100μA/μm2以下であることを特徴とする。
本発明においては、センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が100μA/μm2以下であるため、電流によってセンサ部材が破壊されることがない。
また、本発明に係る集積回路装置において、前記集積回路装置の外部から入射する赤外線により、前記センサ部材の抵抗値が変化してもよい。この場合、集積回路装置の外部から入射する赤外線が前記センサ部材に到達するようになっており、この赤外線により、センサ部材の温度が変化し、センサ部材の抵抗値が変化する。これにより、前記センサ部材の電気抵抗値を検出することにより、前記センサ部材に入射された赤外線の強度を測定することができ、前記センサ部材を赤外線センサとして使用することができる。
又は、本発明に係る集積回路装置において、前記集積回路装置の外部の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化してもよく、前記集積回路装置自体の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化してもよい。これにより、前記センサ部材の電気抵抗値を検出することにより、集積回路装置の温度を測定することができ、前記センサ部材を温度センサとして使用することができる。
このとき、集積回路装置が、前記基板上に設けられた多層配線層と、前記基板の表面及び前記多層配線層に設けられた集積回路部と、前記センサ部材に接続されこのセンサ部材の電気的特性を検出して前記温度を測定する検出手段と、を有していてもよい。この場合、前記センサ部材が前記多層配線層上に設けられていることが好ましい。これにより、センサ部材を形成する酸化バナジウムが基板及び多層配線層を汚染することがなく、基板及び多層配線層を製造する製造装置を汚染することもない。
また、電気抵抗値の温度係数の絶対値が前記センサ部材のそれよりも小さい第1及び第2の温度モニタ部材と、差動増幅部と、を有し、前記センサ部材が相互に独立して電流が流れる第3及び第4の温度モニタ部材からなり、第1の基準電位とこの第1の基準電位よりも低い第2の基準電位との間に前記第1及び第3の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて第1の直列接続体が形成され、前記第1の基準電位と前記第2の基準電位との間に前記第4及び第2の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて前記第1の直列接続体に並列に接続された第2の直列接続体が形成され、前記差動増幅部が前記第1の温度モニタ部材と前記第3の温度モニタ部材との間の第1の接続点の電位と前記第4の温度モニタ部材と前記第2の温度モニタ部材との間の第2の接続点の電位との差を増幅するものであってもよい。
これにより、温度が変化すると、第3及び第4の温度モニタ部材の電気抵抗値が変化するが、第1及び第2の温度モニタ部材の電気抵抗値は第3及び第4の温度モニタ部材ほどは変化しないため、第1の接続点の電位と第2の接続点の電位とは相互に逆の方向に変化する。そして、差動増幅部が第1の接続点の電位と第2の接続点の電位との差を増幅することにより、温度変化に対応して大きく変化する信号を得ることができる。これにより、温度を精度良く測定することができる。
更に、前記第1及び第2の温度モニタ部材がシリコンにより形成されていることが好ましい。これにより、通常の半導体プロセスにより、第1及び第2の温度モニタ部材を形成することができる。
本発明によれば、センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が100μA/μm2以下であるため、電流によってセンサ部材が破壊されることがなく、信頼性が高い集積回路装置を実現することができる。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る集積回路装置を示す断面図であり、図2は、図1に示す集積回路装置の温度センサ部を示す等価回路図であり、図3は、図1に示す差動増幅部を示す等価回路図である。本実施形態に係る集積回路装置は1個のシリコンチップ上に形成された半導体集積回路装置である。
図1に示すように、本実施形態に係る半導体集積回路装置1は、P型のシリコン基板2と、このシリコン基板2上に形成された多層配線層3と、この多層配線層3上に形成された絶縁層4と、この絶縁層4上に形成されたシート層5とから構成されている。多層配線層3は、夫々複数の配線層及び絶縁層が交互に積層されたものである。また、シート層5は多層配線層3内の配線層とは異なり、通常の配線は形成されないものである。そして、この半導体集積回路装置1には、シリコン基板2の表面及び多層配線層3の所定の領域に形成された論理回路部6が設けられている。また、半導体集積回路装置1には、シリコン基板2の表面及び多層配線層3における論理回路部6が形成されていない領域、並びに絶縁層4及びシート層5に形成された温度センサ部7が設けられている。
論理回路部6においては、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide
Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)トランジスタ8が設けられている。即ち、シリコン基板2の表面にNウエルNW及びPウエルPWが相互に隣接するように形成されている。NウエルNWの表面には、2ヶ所のp+拡散領域P3及びP4が相互に離隔して形成されており、PウエルPWの表面には、2ヶ所のn+拡散領域N1及びN2が相互に離隔して形成されている。NウエルNWにおけるp+拡散領域P3とp+拡散領域P4との間の領域はチャネル領域9となっている。また、PウエルPWにおけるn+拡散領域N1とn+拡散領域N2との間の領域はチャネル領域10となっている。
Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)トランジスタ8が設けられている。即ち、シリコン基板2の表面にNウエルNW及びPウエルPWが相互に隣接するように形成されている。NウエルNWの表面には、2ヶ所のp+拡散領域P3及びP4が相互に離隔して形成されており、PウエルPWの表面には、2ヶ所のn+拡散領域N1及びN2が相互に離隔して形成されている。NウエルNWにおけるp+拡散領域P3とp+拡散領域P4との間の領域はチャネル領域9となっている。また、PウエルPWにおけるn+拡散領域N1とn+拡散領域N2との間の領域はチャネル領域10となっている。
多層配線層3におけるチャネル領域9及び10の直上域を含む領域にはゲート絶縁膜(図示せず)が設けられており、ゲート絶縁膜上におけるチャネル領域9及び10の直上域には夫々、例えばポリシリコンからなるゲート電極G1及びG2が設けられている。ゲート電極G1及びG2はゲート端子Vgに共通接続されている。そして、チャネル領域9、ソース・ドレイン領域としてのp+拡散領域P3及びP4、ゲート絶縁膜並びにゲート電極G1により、P型MOSトランジスタが形成されている。また、チャネル領域10、ソース・ドレイン領域としてのn+拡散領域N1及びN2、ゲート絶縁膜並びにゲート電極G2により、N型MOSトランジスタが形成されている。そして、これらのP型MOSトランジスタ及びN型MOSトランジスタにより、CMOSトランジスタ8が構成されている。
多層配線層3におけるp+拡散領域P3上には、このp+拡散領域P3に接続するようにビアV21が設けられており、このビアV21上には、ビアV21に接続するように第1配線W21が設けられている。第1配線W21上には、この第1配線W21に接続するようにビアV22が設けられており、ビアV22上には、このビアV22に接続するように、第2配線W22が設けられている。第2配線W22は電源電位Vccが印加される電源電位配線である。これにより、p+拡散領域P3は、ビアV21、配線W21及びビアV22を介して、電源電位配線である第2配線W22に接続されている。
また、多層配線層3におけるp+拡散領域P4上には、このp+拡散領域P4に接続するようにビアV23が設けられており、n+拡散領域N1上には、このn+拡散領域N1に接続するようにビアV24が設けられている。そして、ビアV23及びV24上には、ビアV23及びV24の双方に接続するように第1配線W23が設けられており、第1配線W23上には、この第1配線W23に接続するようにビアV25が設けられており、ビアV25上にはこのビアV25に接続するように第2配線W25が設けられている。これにより、p+拡散領域P4及びn+拡散領域N1は、ビアV23及びV24、第1配線W23並びにビアV25を介して、第2配線W25に接続されている。
更に、多層配線層3におけるn+拡散領域N2上には、このn+拡散領域N2に接続するようにビアV26が設けられており、ビアV26上には、このビアV26に接続するように第1配線W26が設けられている。第1配線W26には接地電位GNDが印加されるようになっている。これにより、n+拡散領域N2には、配線W26及びビアV26を介して接地電位GNDが印加されるようになっている。
一方、シリコン基板2の表面におけるNウエルNW及びPウエルPWが形成されている領域以外の領域に、p+拡散領域P5が形成されている。多層配線層3におけるp+拡散領域P5上には、下から順にビアV27、第1配線W27、ビアV28及び第2配線W28がこの順に設けられている。第2配線W28は接地電位GNDが印加される接地電位配線である。これにより、p+拡散領域P5は、ビアV27、配線W27及びビアV28を介して、接地電位配線である第2配線W28に接続されている。なお、論理回路部6には、外部から信号が入力されると共に外部に対して信号を出力するためのボンディングパッド(図示せず)が設けられている。ボンディングパッドは多層配線層3の最上層に設けられており、ボンディングパッドの直上域においては、絶縁層4及びシート層5が設けられておらず、開口部となっている。そして、このボンディングパッドに、ボンディングワイヤが接合されて、信号の入出力を行うようになっている。論理回路部6にはCMOSトランジスタ8及びボンディングパッド以外の素子も設けられているが、図1においては図示を省略されている。
また、温度センサ部7においては、シリコン基板2の表面の一部にp+拡散領域P1が形成されている。そして、多層配線層3におけるp+拡散領域P1上の部分には、このp+拡散領域P1に接続するようにビアV1が設けられており、このビアV1上には、ビアV1に接続するように第1配線W1が設けられている。第1配線W1は、多層配線層3におけるシリコン基板2側から1番目の配線層、即ち、第1配線層に形成されている。また、第1配線W1上には、第1配線W1に接続するようにビアV2が設けられており、ビアV2上には、このビアV2に接続するように第2配線W2が設けられている。第2配線W2は第2配線層に形成されており、多層配線層3の上面において露出している。そして、絶縁層4における第2配線W2上の部分には、第2配線W2に接続するようにビアV3が形成されている。
シート層5におけるビアV3上の部分には、温度モニタ部材R1が設けられている。即ち、温度モニタ部材R1は多層配線層3の上層に設けられている。温度モニタ部材R1の形状は、シリコン基板2の表面に垂直な方向から見て(以下、平面視で、という)矩形をなすシート形状であり、その1辺の長さは例えば10乃至100μmであり、膜厚は例えば0.1乃至0.2μmである。温度モニタ部材R1の相互に対向する2辺には夫々電極(図示せず)が設けられており、一方の電極はビアV3に接続されている。
温度モニタ部材R1は、温度に応じて電気抵抗率が変化する材料により形成されており、例えば酸化バナジウムにより形成されている。酸化バナジウムの安定な化合物は、例えばVO2及びV2O5等であり、酸化バナジウムを化学式VOxで表すと、xは2前後である。なお、温度が25℃であるときの酸化バナジウムの体積抵抗率は、シリコンウエハ上で例えば0.01乃至10(Ω・cm)程度であり、その温度係数は、製造方法によっても異なるが、例えば−1.5(%/K)程度である。従って、温度モニタ部材R1の抵抗値の温度係数も例えば−1.5(%/K)程度である。温度モニタ部材R1の抵抗値は例えば数千乃至数万Ω、例えば25kΩである。
絶縁層4における温度モニタ部材R1の下方には、温度モニタ部材R1の他方の電極(図示せず)に接続するようにビアV4が形成されている。また、多層配線層3におけるビアV4の下方には、このビアV4に接続するように第2配線W5が設けられている。第2配線W5の下方には第2配線W5に接続するようにビアV5が設けられており、ビアV5の下方には、第1配線W6が設けられている。第1配線W6には、出力端子Vout1が接続されている。更に、第1配線W6の下方には第1配線W6に接続するようにビアV6が設けられている。即ち、第1配線W6の一端はビアV5に接続されており、他端はビアV6に接続されている。ビアV6の下方には、温度モニタ部材R2が設けられている。
温度モニタ部材R2は、電気抵抗率の温度係数の絶対値が、温度モニタ部材R1の電気抵抗率の温度係数の絶対値よりも小さい材料により形成されており、例えば、N型の不純物が注入されたアモルファスシリコンにより形成されている。アモルファスシリコンの電気抵抗率の温度係数は例えば+0.3(%/K)程度である。従って、温度モニタ部材R2の抵抗値の温度係数も例えば+0.3(%/K)程度である。温度モニタ部材R2の抵抗値は、例えば、温度モニタ部材R1の抵抗値と略等しく設定されており、例えば数千乃至数万Ω、例えば25kΩである。温度モニタ部材R2の形状は、平面視で矩形をなすシート形状であり、その1辺の長さが例えば1乃至100μmであり、膜厚は例えば0.1乃至0.3μmである。温度モニタ部材R2の相互に対向する2辺には夫々電極(図示せず)が設けられており、一方の電極はビアV6に接続されている。
更にまた、温度モニタ部材R2上には温度モニタ部材R2の他方の電極(図示せず)に接続するようにビアV7が設けられており、ビアV7上には、ビアV7に接続するように第1配線W7が設けられている。第1配線W7上には、第1配線W7に接続するようにビアV8が設けられており、ビアV8上には、このビアV8に接続するように、第2配線W8が設けられている。第2配線W8は、電源電位Vccが印加される電源電位配線である。
即ち、p+拡散領域P1から電源電位配線である第2配線W8に向かって、ビアV1、第1配線W1、ビアV2、第2配線W2、ビアV3、温度モニタ部材R1、ビアV4、第2配線W5、ビアV5、第1配線W6、ビアV6、温度モニタ部材R2、ビアV7、第1配線W7、ビアV8がこの順に直列に接続されており、第1の直列接続体が形成されている。また、p+拡散領域P1は、シリコン基板2、p+拡散領域P5、ビアV27、第1配線W27、ビアV28を介して、接地電位配線である第2配線W28に接続されている。
また、温度センサ部7においては、前述の第1の直列接続体と対をなすように、第2の直列接続体が形成されている。この第2の直列接続体は、図1に示すように、シリコン基板2の表面に形成されたp+拡散領域P2から電源電位配線である第2配線W17に向かって、ビアV11、第1配線W11、ビアV12、温度モニタ部材R4、ビアV13、第1配線W13、ビアV14、第2配線W14、ビアV15、温度モニタ部材R3、ビアV16がこの順に直列に接続されて形成されている。そして、第1配線W13には、出力端子Vout2が接続されている。また、p+拡散領域P2は、シリコン基板2、p+拡散領域P5、ビアV27、第1配線W27、ビアV28を介して、接地電位配線である第2配線W28に接続されている。
第2の直列接続体の構成をより詳細に説明する。シリコン基板2の表面に、p+拡散領域P2が形成されている。そして、多層配線層3におけるp+拡散領域P2上の部分には、p+拡散領域P2に接続するようにビアV11が設けられており、ビアV11上には第1配線W11が設けられている。ビアV11は第1配線W11の一端に接続されている。また、第1配線W11の下方には、第1配線W11の他端に接続するように、ビアV12が設けられており、ビアV12の下方には、温度モニタ部材R4が設けられている。温度モニタ部材R4はアモルファスシリコンにより形成されており、その形状及びサイズは温度モニタ部材R2と同様である。ビアV12は温度モニタ部材R4の一方の電極(図示せず)に接続されている。
また、温度モニタ部材R4上には、温度モニタ部材R4の他方の電極(図示せず)に接続されるように、ビアV13が設けられており、ビアV13上には、第1配線W13が設けられている。ビアV13は第1配線W13の一端に接続されている。第1配線W13には、出力端子Vout2が接続されている。そして、第1配線W13上にはビアV14が設けられており、第1配線W13の他端に接続されている。ビアV14上には、ビアV14に接続されるように第2配線W14が設けられており、第2配線W14上には、第2配線W14に接続されるようにビアV15が設けられている。ビアV15上には、ビアV15に接続されるように、温度モニタ部材R3が設けられている。
温度モニタ部材R3は酸化バナジウムにより形成されており、その形状及びサイズは温度モニタ部材R1の形状及びサイズと同じである。ビアV15は温度モニタ部材R3の一方の電極(図示せず)に接続されている。そして、温度モニタ部材R3の下方には、温度モニタ部材R3の他方の電極(図示せず)に接続するように、ビアV16が設けられている。そして、ビアV16の下方には、ビアV16に接続されるように、電源電位Vccが印加される電源電位配線である第2配線W17が設けられている。
半導体集積回路装置1において、ゲート電極G1及びG2並びに温度モニタ部材R2及びR4は同層に設けられている。また、第1配線W1、W6、W7、W11、W13、W21、W23、W26、W27は第1配線層に設けられている。更に、第2配線W2、W5、W8、W14、W17、W22、W25、W28は第2配線層に設けられており、多層配線層3の上面において露出している。更にまた、温度モニタ部材R1及びR3はシート層5において同層に設けられている。そして、多層配線層3、絶縁層4及びシート層5における前記各温度モニタ部材、各配線、各ビア及びゲート電極以外の部分は、絶縁材料11により埋め込まれている。これにより、温度モニタ部材R1乃至R4には、半導体集積回路装置1自体の温度変化、及び半導体集積回路装置1の外部の温度変化が伝わるようになっている。
半導体集積回路装置1の温度センサ部7を上述のように構成することにより、図2に示すように、電源電位Vccが印加される電源電位配線(図1に示す第2配線W8及びW17)と、接地電位GNDが印加される接地電位配線(図1に示す第2配線W28)との間に、温度モニタ部材R2及びR1がこの順に直列に接続された第1の直列接続体と、温度モニタ部材R3及びR4がこの順に直列に接続された第2の直列接続体とが、相互に並列に接続された回路が形成される。この回路においては、温度モニタ部材R1と温度モニタ部材R2との間の接続点に出力端子Vout1が接続され、温度モニタ部材R3と温度モニタ部材R4との間の接続点に出力端子Vout2が接続されている。
そして、温度モニタ部材R1及びR3の断面には、最大でも電流密度が100(μA/μm2)以下の電流しか流れないようになっている。例えば、半導体集積回路装置1を使用する温度範囲が−50乃至100℃であり、温度が25℃であるときの温度モニタ部材R1乃至R4の電気抵抗値が25kΩであるとする。このとき、温度モニタ部材R1及びR3の電気抵抗値の温度係数は−1.5(%/K)であり、温度モニタ部材R2及びR4の電気抵抗値の温度係数は+0.3(%/K)である。そして、温度が−50℃であるときの温度モニタ部材R1及びR3の電気抵抗値は夫々77kΩであり、温度モニタ部材R2及びR4の電気抵抗値は夫々20kΩである。また、温度が100℃であるときの温度モニタ部材R1及びR3の電気抵抗値は夫々8kΩであり、温度モニタ部材R2及びR4の電気抵抗値は夫々30kΩである。なお、電気抵抗値の温度依存性は、完全に線形ではない。従って、温度が−50乃至100℃の範囲で変動すると、第1及び第2の直列接続体の抵抗は、夫々、38乃至97kΩの範囲で変動する。そして、電源電位Vccが3.3Vであり、接地電位GNDが0Vであるとすると、第1及び第2の直列接続体に流れる電流の大きさは、約34乃至87μAとなる。
一方、温度モニタ部材R1及びR3の幅、即ち電流方向の直交する方向の長さは20μmであり、厚さは0.2μmであるため、温度モニタ部材R1及びR3における電流が流れる方向に直交する断面積は4μm2である。従って、温度モニタ部材R1及びR3の断面に流れる電流の電流密度は、8.5乃至21.8(μA/μm2)であり、100(μA/μm2)以下となっている。
また、温度センサ部7には、差動増幅部12が設けられており、出力端子Vout1及びVout2から出力される電位が入力されるようになっている。差動増幅部12は、出力端子Vout1の電位と出力端子Vout2の電位との差を増幅して、出力端子Vout3から出力するものである。差動増幅部12の出力信号は、半導体集積回路装置1内の温度の情報を含むアナログ信号である。そして、この出力信号に基づいて、論理回路部6が制御されるようになっている。なお、温度センサ部7における温度モニタ部材R1乃至R4以外の部分により、温度モニタ部材の電気抵抗値を検出して温度を測定する検出手段が構成されている。
図3に示すように、差動増幅部12には、従来の差動増幅器を使用することができる。差動増幅部12においては、電源電位配線21と接地電位配線22との間に、2個のP型トランジスタ23及びN型トランジスタ25が直列に接続された回路と、P型トランジスタ24及びN型トランジスタ26が直列に接続された回路とが、相互に並列に接続されている。
即ち、P型トランジスタ23のソースは電源電位配線21に接続されており、ドレインはN型トランジスタ25のドレインに接続されており、N型トランジスタ25のソースは接地電位配線22に接続されている。一方、P型トランジスタ24のソースは電源電位配線21に接続されており、ドレインはN型トランジスタ26のドレインに接続されており、N型トランジスタ26のソースは接地電位配線22に接続されている。また、P型トランジスタ23及び24のゲートはP型トランジスタ23のドレインに接続されている。更に、N型トランジスタ25のゲートは出力端子Vout1に接続されており、N型トランジスタ26のゲートは出力端子Vout2に接続されている。更にまた、P型トランジスタ24のドレインには出力端子Vout3が接続されている。これにより、差動増幅部12は、出力端子Vout3から、出力端子Vout1の電位と出力端子Vout2の電位との差を増幅した信号を出力する。
以下、本発明の数値限定理由について説明する。
センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度:100μA/μm 2 以下
図4は横軸にセンサ部材(温度モニタ部材)の電流方向の長さをとり、縦軸にセンサ部材の断面に流れる幅1μm当たりの電流値及び電流密度の測定結果をとって、センサ部材の形状と電流の大きさとの関係を示すグラフ図である。図4に示す測定においては、センサ部材を酸化バナジウム膜により形成し、この酸化バナジウム膜の幅を5μm、10μm、50μmの3水準とし、酸化バナジウム膜の膜厚を0.1μmとし、センサ部材の両端に印加する電圧を1Vとしている。そして、図4においては、電流を流すことによるセンサ部材(酸化バナジウム膜)の破壊の有無を表記している。
センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度:100μA/μm 2 以下
図4は横軸にセンサ部材(温度モニタ部材)の電流方向の長さをとり、縦軸にセンサ部材の断面に流れる幅1μm当たりの電流値及び電流密度の測定結果をとって、センサ部材の形状と電流の大きさとの関係を示すグラフ図である。図4に示す測定においては、センサ部材を酸化バナジウム膜により形成し、この酸化バナジウム膜の幅を5μm、10μm、50μmの3水準とし、酸化バナジウム膜の膜厚を0.1μmとし、センサ部材の両端に印加する電圧を1Vとしている。そして、図4においては、電流を流すことによるセンサ部材(酸化バナジウム膜)の破壊の有無を表記している。
図4に示すように、センサ部材の長さが長くなると、センサ部材の抵抗値が大きくなり、センサ部材を流れる電流の電流値が低減し、従って電流密度が低減する。そして、電流密度が100μA/μm2よりも大きくなると、酸化バナジウム膜が破壊されてしまう。センサ部材に流す電流の電流密度とセンサ部材の破壊の有無との関係を、表1に示す。表1において、「OK」は電流を流してもセンサ部材が破壊されなかったことを示し、「NG」は電流を流すことによりセンサ部材が破壊されたことを示す。
図4及び表1に示すように、センサ部材を酸化バナジウムにより形成した場合、センサ部材の断面に流れる電流の電流密度が100(μA/μm2)よりも大きいと、センサ部材が破壊されてしまう。これに対して、前記電流密度が100(μA/μm2)以下であれば、センサ部材が破壊されることがない。なお、たとえ短時間であっても、センサ部材に電流密度が100(μA/μm2)よりも大きい電流が流れると、センサ部材は破壊されてしまう。従って、センサ部材に大きさが変動する電流を流す場合、例えば、パルス状の電流を流す場合においては、センサ部材に流れる最大の電流密度を100(μA/μm2)以下とする必要がある。従って、本発明においては、センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度を100μA/μm2以下とする。
次に、上述の如く構成された本実施形態に係る半導体集積回路装置1の動作について説明する。接地電位配線に接地電位GNDを印加し、電源電位配線に電源電位Vccを印加すると、電源電位配線から接地電位配線に向かって、第1及び第2の直列接続体に夫々電流が流れる。前述の如く、第1及び第2の直列接続体に流れる電流の大きさは夫々34乃至87μAであり、温度モニタ部材R1及びR3における電流密度は8.5乃至21.8(μA/μm2)である。これにより、出力端子Vout1の電位は、温度モニタ部材R1の抵抗値及び温度モニタ部材R2の抵抗値によって決定される接地電位と電源電位との中間の値となる。そして、外部の温度が上昇するか、又は論理回路部6が駆動して発熱すること等により半導体集積回路装置1の温度が上昇すると、温度モニタ部材R1及びR2の温度も上昇し、温度モニタ部材R1の抵抗値が低下する。なお、このとき、温度モニタ部材R2の抵抗値はほとんど変化しない。この結果、出力端子Vout1の電位が低下する。
同様に、出力端子Vout2の電位は、温度モニタ部材R3の抵抗値及び温度モニタ部材R4の抵抗値によって決定される接地電位と電源電位との中間の値となる。そして、半導体集積回路装置1の温度が上昇すると、温度モニタ部材R3及びR4の温度も上昇し、温度モニタ部材R3の抵抗値が低下する。一方、温度モニタ部材R4の抵抗値はほとんど変化しない。この結果、出力端子Vout2の電位が上昇する。
そして、出力端子Vout1及びVout2の電位が差動増幅部12の入力端子に入力され、差動増幅部12が出力端子Vout1及びVout2の電位差を増幅し、出力端子Vout3から出力する。そして、この出力に基づいて温度を測定する。
また、この温度の測定結果に基づいて、論理回路部6を制御する。例えば、温度の測定値が所定の値を超えた場合は、論理回路部6が過熱状態にあると判断し、論理回路部6の駆動を停止する。
本実施形態においては、温度モニタ部材R1及びR3に流れる電流の電流密度が8.5乃至21.8(μA/μm2)であり、100(μA/μm2)以下であるため、温度モニタ部材R1及びR3が電流によって破壊されることがない。
また、本実施形態においては、温度モニタ部材R1及びR3を酸化バナジウムにより形成している。酸化バナジウムは、電気抵抗率の温度係数の絶対値が例えば約1.5(%/K)と大きいため、温度測定に際して高いSNRを得ることができる。また、アモルファスシリコンからなる温度モニタ部材R2及びR4と共にブリッジ回路を形成し、出力端子Vout1及びVout2の電位差を検出することにより、温度測定の精度をより向上させることができる。更に、差動増幅回路12によりこの電位差を増幅することにより、温度測定精度をより一層向上させることができる。
例えば、電源電位Vccを3.3V、接地電位GNDを0V、酸化バナジウムからなる温度モニタ部材R1及びR3の室温における抵抗値を夫々1kΩ、アモルファスシリコンからなる温度モニタ部材R2及びR4の室温における抵抗値を夫々1kΩとすると、室温における出力端子Vout2の電位は1.65Vである。そして、酸化バナジウムの電気抵抗率の温度係数を−1.5(%/K)とし、アモルファスシリコンの電気抵抗率の温度変化を無視できるとすると、温度が室温から10℃上昇した場合には、温度モニタ部材R3の抵抗値は985Ωとなる。一方、温度モニタ部材R4の抵抗値は略1kΩのままである。この結果、出力端子Vout2の電位は、1.662Vとなる。即ち、温度が室温であるときと比較して、0.012V増加する。このように、温度モニタ部材R3及びR4を電源電位と接地電位との間に直列に接続することにより、温度変化を電位変化として検出することができるが、その感度は低く、10℃の温度変化に対して0.012Vの電位変化しか検出することができない。
しかしながら、本実施形態においては、温度モニタ部材R3及びR4を直列に接続した直列接続体の他に、温度モニタ部材R1及びR2を直列に接続した直列接続体も設けている。この場合、室温における出力端子Vout1の電位は1.65Vである。そして、温度が室温から10℃上昇すると、温度モニタ部材R2の抵抗値は1kΩのままであるが、温度モニタ部材R1の抵抗値が985Ωとなる。この結果、出力端子Vout1の電位は、1.638Vに低下する。従って、出力端子Vout1と出力端子Vout2との間の電位差をとれば、温度が室温であるときは、前記電位差は0Vであり、温度が室温から10℃上昇すると、前記電位差は1.124Vとなる。このように、出力端子Vout1と出力端子Vout2との間の電位差をとることにより、10℃の温度変化に対して0.024Vの電位変化を検出することができる。そして、差動増幅部12がこの電位変化を増幅することにより、温度変化をより大きな電位変化として取り出すことができる。
また、酸化バナジウムは化学的に安定であるため、半導体集積回路装置1の信頼性を向上させることができる。
更に、本実施形態においては、温度モニタ部材R1及びR3が多層配線層3の上層のシート層5に設けられており、論理回路部6がこのシート層5には設けられておらず、それよりも下層の多層配線層3に設けられているため、酸化バナジウムにより論理回路部6を汚染することがなく、シリコン基板2及び多層配線層3を製造するための半導体製造装置を汚染することがなく、この半導体製造装置により製造される他の製品を2次汚染することもない。また、論理回路部6には既存のマクロを使用することができる。そして、論理回路部6を形成した後に、温度モニタ部材R1及びR3を形成することができるため、論理回路部6を従来の製造プロセスにより形成することができる。このため、論理回路部6については、既存のプラットフォームを変更する必要がない。この結果、温度モニタ部材R1及びR3を設けることによる製造コストの上昇を抑制できる。なお、温度モニタ部材R2及びR4はアモルファスシリコンにより形成しているため、通常の半導体プロセスにより形成することができる。
なお、本実施形態においては、温度モニタ部材R2及びR4をアモルファスシリコンにより形成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えばポリシリコンにより形成してもよい。
また、本実施形態においては、論理回路部6が形成されている領域と異なる領域に温度センサ部7が形成されている例を示したが、本発明においては、論理回路部6の直上域の少なくとも一部に温度モニタ部材R1及び/又はR3が配置されていてもよい。即ち、温度モニタ部材R1及び/又はR3の直下域に、論理回路部6の少なくとも一部が配置されていてもよい。これにより、温度モニタ部材R1及びR3の直下域を有効に利用して省スペース化を図ることができ、半導体集積回路装置1のレイアウト面積を低減して小型化を図ることができる。
更に、温度センサ部7は、半導体集積回路装置1が形成されているチップの1ヶ所に形成されていてもよく、複数の箇所に夫々形成されていてもよい。例えば、チップの中央部及び四隅部の合計5ヶ所に形成されていてもよい。温度センサ部3を複数ヶ所に夫々設け、各温度センサ部3の測定値の平均値を算出することにより、温度測定の精度をより向上させることができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図5は本実施形態に係る集積回路装置を示す断面図である。本実施形態に係る集積回路装置は、シリコン基板上に複数個の赤外線センサがマトリクス状に配列された熱型赤外線検出器である。この熱型赤外線検出器は、赤外線カメラの受光部に搭載されている。
図5に示すように、本実施形態に係る熱型赤外線検出器31においては、シリコン基板32が設けられており、このシリコン基板32の表面に複数の赤外線センサ33がマトリクス状に配列されており、各赤外線センサ33が各画素を構成している。各赤外線センサ33においては、導電材料からなる1対の梁34が、シリコン基板32から立設している。即ち、梁34の根元部は、シリコン基板32に固定されている。そして、1対の梁34は制御回路(図示せず)に接続されており、この制御回路により電源電位Vcc及び接地電位GNDが夫々印加されるようになっている。また、梁34の先端部はシリコン基板32から離隔しており、この先端部間において、赤外線センサ部材35が支持されている。
赤外線センサ部材35は酸化バナジウムからなり、その形状は略四角形となっている。そして、赤外線センサ部材35の一端は一の梁34の先端部に接続され、他端は他の梁34の先端部に接続されている。また、梁34及び赤外線センサ部材35は絶縁層36により被覆されている。赤外線センサ部材35の長さ、即ち、梁34との接続部分間の長さは例えば20μmであり、幅は例えば2μmであり、厚さは例えば0.2μmである。従って、赤外線センサ部材における電流方向に直交する断面積は、0.4μm2である。
赤外線センサ部材35は、熱型赤外線検出器31の外部から入射する赤外線が到達する位置に配置されている。なお、図5に示す矢印37は赤外線の入射方向を示している。また、赤外線センサ33は中空構造となっている。即ち、赤外線センサ部材35はシリコン基板32から離隔しており、赤外線センサ部材35とシリコン基板32との間にはエアギャップ38が設けられている。また、シリコン基板32の表面における赤外線センサ部材35の直下域を含む領域には、反射板39が設けられている。
そして、赤外線センサ部材35の断面には、最大でも電流密度が100(μA/μm2)以下の電流しか流れないようになっている。例えば、赤外線が照射されていないときの赤外線センサ部材35の電気抵抗値は120kΩである。また、赤外線が照射され、温度が上昇したときの赤外線センサ部材35の電気抵抗値は95kΩである。そして、電源電位Vccは3.3Vであり、接地電位GNDは0Vであるため、赤外線センサ部材35には、大きく見積もって、27乃至35μAの電流が流れ、このときの電流密度は67乃至88(μA/μm2)となり、100(μA/μm2)以下となっている。
次に、本実施形態の動作について説明する。赤外線カメラの外部から赤外線が入射し、この赤外線が熱型赤外線検出器31の各赤外線センサ33に入射する。そして、この赤外線の一部は赤外線センサ部材35に到達し、吸収される。また、赤外線の他の一部は、エアギャップ38を通過して、反射板39により反射され、再びエアギャップ38を通過して赤外線センサ部材35に到達し、吸収される。これにより、赤外線センサ部材35の温度が上昇し、電気抵抗値が低下する。
そして、制御回路が、1対の梁34を介して赤外線センサ部材35にパルス状に電圧を印加する。これにより、赤外線センサ部材35にパルス状の電流が流れ、制御回路がこの電流の大きさを測定することにより、赤外線センサ部材35の電気抵抗値を検出する。この検出結果に基づいて、各赤外線センサ33に入射した赤外線の強度を測定し、赤外線画像を形成する。前述の如く、このとき赤外線センサ部材35に流れる最大電流値は27乃至35μAであり、最大電流密度は67乃至88(μA/μm2)である。
本実施形態においては、赤外線センサ部材35が酸化バナジウムにより形成されているため、赤外線センサ33に入射した赤外線の強度を精度よく測定することができる。また、赤外線センサ部材35の断面に流れる電流の最大電流密度が100(μA/μm2)以下であるため、電流を流すことにより赤外線センサ部材35が破壊されることがない。
本発明は、モノリシック型の温度センサを内蔵した集積回路装置及び赤外線カメラに搭載され赤外線センサを備えた熱型赤外線検出器等に好適に利用することができる。
1;半導体集積回路装置
2;シリコン基板
3;多層配線層
4;絶縁層
5;シート層
6;論理回路部
7;温度センサ部
8;CMOSトランジスタ
9、10;チャネル領域
11;絶縁材料
12;差動増幅部
21;電源電位配線
22;接地電位配線
23、24;P型トランジスタ
25、26;N型トランジスタ
31;熱型赤外線検出器
32;シリコン基板
33;赤外線センサ
34;梁
35;赤外線センサ部材
36;絶縁層
37;赤外線の入射方向
38;エアギャップ
39;反射板
G1、G2;ゲート電極
GND;接地電位
N1、N2;n+拡散領域
NW;Nウエル
P1〜P5;p+拡散領域
PW;Pウエル
R1〜R4;温度モニタ部材
V1〜V28;ビア
Vcc;電源電位
Vg;ゲート端子
Vout1、Vout2、Vout3;出力端子
W1、W6、W7、W11、W13、W21、W23、W26、W27;第1配線
W2、W5、W8、W14、W17、W22、W25、W28;第2配線
2;シリコン基板
3;多層配線層
4;絶縁層
5;シート層
6;論理回路部
7;温度センサ部
8;CMOSトランジスタ
9、10;チャネル領域
11;絶縁材料
12;差動増幅部
21;電源電位配線
22;接地電位配線
23、24;P型トランジスタ
25、26;N型トランジスタ
31;熱型赤外線検出器
32;シリコン基板
33;赤外線センサ
34;梁
35;赤外線センサ部材
36;絶縁層
37;赤外線の入射方向
38;エアギャップ
39;反射板
G1、G2;ゲート電極
GND;接地電位
N1、N2;n+拡散領域
NW;Nウエル
P1〜P5;p+拡散領域
PW;Pウエル
R1〜R4;温度モニタ部材
V1〜V28;ビア
Vcc;電源電位
Vg;ゲート端子
Vout1、Vout2、Vout3;出力端子
W1、W6、W7、W11、W13、W21、W23、W26、W27;第1配線
W2、W5、W8、W14、W17、W22、W25、W28;第2配線
Claims (15)
- 基板と、この基板上に設けられ酸化バナジウムにより形成され温度に応じて電気抵抗値が変化するセンサ部材と、を有し、前記センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が100μA/μm2以下であることを特徴とする集積回路装置。
- 前記集積回路装置の外部から入射する赤外線により、前記センサ部材の抵抗値が変化することを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
- 前記集積回路装置の外部の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化することを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
- 前記集積回路装置自体の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化することを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
- 前記基板上に設けられた多層配線層と、前記基板の表面及び前記多層配線層に設けられた集積回路部と、前記センサ部材に接続されこのセンサ部材の電気的特性を検出して前記温度を測定する検出手段と、を有することを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の集積回路装置。
- 前記センサ部材が前記多層配線層上に設けられていることを特徴とする請求項5に記載の集積回路装置。
- 前記検出手段の出力に基づいて前記集積回路部が制御されることを特徴とする請求項5又は6に記載の集積回路装置。
- 前記センサ部材の直下域に前記集積回路部の少なくとも一部が配置されていることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の集積回路装置。
- 複数の前記センサ部材が設けられていることを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項に記載の集積回路装置。
- 前記センサ部材よりも下層に設けられたボンディングパッドを有することを特徴とする請求項5乃至9のいずれか1項に記載の集積回路装置。
- 前記検出手段が前記センサ部材の電気抵抗値を検出するものであることを特徴とする請求項5乃至10のいずれか1項に記載の集積回路装置。
- 前記センサ部材の形状がシート状であることを特徴とする請求項3乃至11のいずれか1項に記載の集積回路装置。
- 電気抵抗値の温度係数の絶対値が前記センサ部材のそれよりも小さい第1及び第2の温度モニタ部材と、差動増幅部と、を有し、前記センサ部材が相互に独立して電流が流れる第3及び第4の温度モニタ部材からなり、第1の基準電位とこの第1の基準電位よりも低い第2の基準電位との間に前記第1及び第3の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて第1の直列接続体が形成され、前記第1の基準電位と前記第2の基準電位との間に前記第4及び第2の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて前記第1の直列接続体に並列に接続された第2の直列接続体が形成され、前記差動増幅部が前記第1の温度モニタ部材と前記第3の温度モニタ部材との間の第1の接続点の電位と前記第4の温度モニタ部材と前記第2の温度モニタ部材との間の第2の接続点の電位との差を増幅するものであることを特徴とする請求項3乃至12のいずれか1項に記載の集積回路装置。
- 前記第1の温度モニタ部材を形成する材料及び形状が前記第2の温度モニタ部材を形成する材料及び形状と夫々等しく、前記第3の温度モニタ部材の形状が前記第4の温度モニタ部材の形状と等しいことを特徴とする請求項13に記載の集積回路装置。
- 前記第1及び第2の温度モニタ部材がシリコンにより形成されていることを特徴とする請求項13又は14に記載の集積回路装置。
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121114 |
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A977 | Report on retrieval |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20130306 |