KR101742836B1 - 반도체 기술을 이용한 열전 디바이스 - Google Patents

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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 가열 소스 다음에 배열된 가열 측 (Th) 및 냉각 측 (Tc) 을 포함하고, 가열 측과 냉각 측 사이의 온도 차이에 의존하는 신호 (U) 를 출력하는 반도체 기술을 사용한 집적 열전 디바이스에 관한 것이다. 가열 측 및 냉각 측은 그 온도들이 가열 소스의 온도가 변화할 때, 즉 센서가 열악한 동작 조건들을 가질 때, 동일해지도록 배열된다. 측정 회로는 가열 소스의 온도가 변화하는 시간 (t0) 으로부터 신호의 연속 가변 부분 (t0-t1) 에 의존하는 유용한 정보를 생성한다. 가열 소스의 온도가 변화한다면, 가열 측 및 냉각 측의 온도는 결국 동일해지고, 상기 신호는 취소되며 변화하는 것을 정지한다. 가열 측과 냉각 측 사이의 거리는 100㎛ 미만일 수 있다.

Description

반도체 기술을 이용한 열전 디바이스{THERMOELECTRIC DEVICE USING SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY}
본 발명은 집적 열전 디바이스에 관한 것으로, 특히 반도체 기술에 있어서의 제베크 효과 디바이스에 관한 것이다.
오늘날, 많은 집적 회로들은 그 회로들의 열 발생에 관한 정보를 제공하기 위해 임베딩된 열 센서들을 포함한다. 전력 관리 회로는, 예를 들어 센서의 온도가 임계치에 도달할 때, 기능을 멈추거나, 클록 다운을 늦추거나, 또는 팬을 트리거할 수 있게 된다.
현재 집적 회로들에 사용되는 열 센서들은, 일반적으로 순방향 바이어스형 p-n 접합의 형태로 되어 있다. 다이오드의 단자들에서의 전압은 접합의 온도를 나타낸다.
상기 센서들은 약 20㎂의 영구성 전류를 소비하고, 특히 임계 온도 (+/-20℃ 로 추정됨) 에 대해 매우 정확하지 않은 문제점을 나타낸다. 현재, 상기 센서들은 이동 장비에서 통상적으로 사용되고는 있지만, 더 빠르고 신규한 기능들의 결합과 관련된 하우징 내에서의 증가하고 있는 전력 손실 때문에, 이 센서들의 사용 한계가 시작되어 명백해지고 있다.
보다 정확하고 전류를 소모하지 않는, 제베크 효과 센서들이라 칭하는 자율 센서들이 존재한다. 자율 센서들은 또한 "열전쌍"의 명칭으로 알려져 있다. 이 열 센서들은 차동적이며 동시에 이용가능한 냉각 소스 및 가열 소스를 필요로 한다.
도 1은 명칭이 "Differential Temperature Sensors in 0.35μm CMOS Technology" 이고, Eduardo Aldrete-Vidrio, Diego Mateo, 및 Josep Altet 에 의해 Therminic 2005 컨퍼런스에서 공개된 논문에서 설명된 바와 같은, CMOS 기술에서의 제베크 효과에 의한 집적 차동 센서를 나타낸다.
수개의 평행한 도전성 바들이 실리콘 기판 상에 형성된다. 이 바들의 일 말단은 (좌측 상에) 냉각 소스의 레벨에 위치되고, 다른 말단은 (우측 상에) 가열 소스의 레벨에 위치된다. 바들은 금속화들 (10) 에 의해 직렬로 전기적으로 접속된다. 홀수 서열의 바들 (12) 및 짝수 서열의 바들 (14) 은 상이한 특성들을 가지는데, 하나는 다결정 실리콘 "poly1" 으로 이루어지고, 다른 것은 다결정 실리콘 "poly2" 으로 이루어지거나 기판의 p+ 주입에 의해 형성된다. 이에 따라, 수 개의 열전쌍들이 금속화들 (10) 의 레벨에 형성되고, 센서의 감도를 증가시키기 위해 직렬로 접속된다. 이 배열은 또한 "써모파일(thermopile)"로 칭한다.
써모파일의 길이는 약 500㎛ 이고 그 폭은 약 16㎛ 이다.
측정 회로 (15) 에 공급되는 센서의 단자들에서의 전압 (U) 은, 가열 소스 측 상에 위치된 열전 쌍들과 냉각 소스 측 상에 위치된 열전 쌍들 (이하 간략화를 위해 센서의 가열 측 및 냉각 측으로 지칭함) 사이의 온도 차이에 비례한다. 비례 계수는 그 자체가 열전 쌍들의 개수 및 바들에 대해 사용된 재료들의 쌍의 제베크 계수에 비례한다.
도 2는 가열 소스에 의해 손실되는 이상적인 전력 스텝 (P) 에 응답하는 써모파일의 가열 측 온도 (Th) 의 과도 변화의 일 예를 나타낸다.
온도 (Th) 는 점진적으로 증가하며 열역학적 평형에 상응하는 온도 값에 대해 점근적인 경향이 있다. 증가 레이트는 전력 및 가열 소스의 열적 용량에 의존한다. 최대 값은 열을 제거하기 위해 전력 및 가열 소스의 용량에 의존한다.
냉각 측의 온도 (Tc) 가 변화하지 않는 경우, 센서의 단자들에서의 전압은 가열 소스의 온도 변화 (Th) 를 직접 나타낸다.
상술한 논문은 칩 상의 기능적 유닛들의 열적 거동의 특성화에 따른 이러한 센서의 종류를 설명하며, 열적 특성화에 전용되는 회로들의 시리즈에 센서를 집적하는 것을 제시한다. 센서의 크기 (약 8,000μ㎡) 로 인해, 시판되는 집적 회로들에서 센서는 있는 그대로 사용될 수 없는데, 상기 시판되는 집적 회로들은 약 150,000μ㎡ (센서는 전력 트랜지스터의 표면의 5%를 점유하게 된다) 의 전형적인 크기를 갖는 가열 소스들 (전력 트랜지스터들) 을 갖는다.
정확하고, 낮은 소비를 가질 뿐만 아니라 시판되는 집적 회로들에 사용되기에 적합해진 크기를 갖는 열 센서에 대한 필요성이 관찰되고 있다.
이러한 필요성을 충족시키기 위해, 특히, 가열 소스에 근접하여 배열된 가열 측 및 냉각 측을 포함하고, 가열 측과 냉각 측 사이의 온도 차이에 따라 신호를 제공하는 반도체 기술에 있어서의 집적 열전 디바이스가 제공된다. 가열 측 및 냉각 측은 가열 소스의 온도가 변화할 때, 즉 센서가 열악한 동작 조건들에 있을 때, 그 온도들이 동일하게 되는 방식으로 배열된다. 측정 회로는 가열 소스의 온도가 변화할 때의 시간으로부터 신호의 연속적 가변 부분에 따라 유용한 정보를 제공한다. 가열 소스의 온도가 변화하는 것이 중단된다면, 가열 측 및 냉각 측의 온도들은 결국 동일해지며, 신호가 취소되고 변화하는 것을 중단한다. 가열 측과 냉각 측 사이의 거리는 100㎛ 미만일 수 있다.
다른 이점들 및 특징들은 한정이 아닌 예시의 목적으로 주어지고 첨부된 도면들에 의해 도시되는 다음의 특정 실시형태들의 설명으로부터 보다 명백해지게 된다.
도 1은, 앞서 설명된, CMOS 기술에서의 제베크 효과에 의한 종래의 집적 차동 열 센서를 나타낸다.
도 2는, 앞서 설명된, 바람직한 상황에서 전력 단계에 응답하여 도 1의 센서 유형에서 온도의 과도 변화를 나타낸다.
도 3은, 냉각 측 (Tc) 이 고정되는 것으로서 고려될 수 없는 경우, 전력 단계에 응답하여 도 1의 센서 유형에서 전압 및 온도의 과도 변화를 나타낸다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는, 3개의 특정 동작 모드에서, 소형 크기의 차동 열 센서에서 온도 및 전압의 추이 변화를 나타낸다.
도 5는 MOS 전력 트랜지스터의 온도를 측정하기 위해 집적 회로에 배열된 소형 크기의 차동 열 센서를 나타낸다.
도 6은 소형 크기의 차동 열 센서에 적용될 수 있는 다양한 최적화들을 나타낸다.
도 7은 소형 크기의 차동 열 센서의 특정 예에 대해 측정된 전압 및 온도의 변화를 나타낸다.
시판 집적 회로에서 제베크 효과 열 센서 또는 차동 센서의 이점들로부터 이억을 얻기 위해, 그 전체 크기를 감소시키는 것이 바람직하다. 기술의 치수들에 의해 그리고 필요한 감도를 달성되게 하는 접합들의 수에 의해 좌우될 수 있는 센서의 폭, 단지 위도만을, 센서의 길이 상에서 알아낸다. 현재의 기술들에 있어서, 이 길이는 100㎛ 미만, 바람직하게 50㎛ 미만, 즉 도 1과 관련하여 설명된 종래의 센서의 길이보다 5 내지 10 배 작도록 요구된다.
그러나, 센서의 길이를 감소시키는 것은, 가열 소스 및 냉각 소스를 서로 근접하여 위치시키는 것을 수반하는데, 이는 지금까지 해결될 수 없는 문제점을 유발한다.
도 3은, 불리한 상황 (비온도조절 냉각 측 (Th)) 에서, 가열 소스 상에 적용되는 전력 스텝 (P) 에 응답하여 도 1의 유형의 제베크 효과 열 센서의 단자들에서 온도 및 전압의 변화 예를 나타낸다. 이러한 상황은 더욱더 불리하여, 센서의 길이가 더 감소된다.
가열 측 온도 (Th) 는 도 2에서와 같이 변화한다. 그러나, 가열 소스의 레벨에서 생성된 열은 냉각 소스로의 전도에 의해 전달되고, 시간 (t1) 으로부터 증가하기 시작하는 온도 (Tc) 는, 가열 소스와 냉각 소스 사이의 재료의 열적 특성들 및 센서의 길이에 의존하는 소정의 시간 지연 (time lag) 을 갖는다. 가열 소스의 열은, 이 소스 주위로 확산되고, 단지 일부만이 냉각 소스로 확산되기 때문에, 온도 (Tc) 의 증가는 온도 (Th) 의 증가보다 덜 빠르다. 온도 (Tc) 는, 열역학적 평형 온도로 점근적으로 향하며 냉각 소스의 열 제거 용량에 의존하는 성향을 보이며, 나타낸 최악의 경우, Th의 최대값과 같다.
시간 (t1) 까지, 센서의 단자들에서의 전압 (U) 은 온도 (Th) 의 변화를 따른다. 시간 (t1) 으로부터, 온도 (Tc) 가 증가하기 시작할 때, 전압 (U) 은 온도 (Tc) 가 온도 (Th) 에 접근함에 따라 점진적으로 0으로 감소하기 시작한다. 현재 기술들에서 집적된 약 50㎛ 의 센서 길이에 의해, 전압 (U) 의 이러한 펄스의 기간은 약 몇 마이크로초이다. 이에 따라, 센서는 약 몇 마이크로초 이후에 실행 불가능하게 되고, 기술의 상태에서 언급되는 측정들을 수행할 수 없다.
사실, 집적 회로의 기능 유닛에 대응하는 영역의 가열 현상이 보다 면밀히 분석된다면, 이 영역의 안정된 조건들 하에서의 온도는, 그것, 특히 기능 유닛을 구성하는 전력 트랜지스터들을 가열하는 개별 디바이스들의 평균 온도로 설정되는 것이 관찰될 수 있다. 이러한 전력 트랜지스터들은 일반적으로 촙드 모드 (chopped mode) 에서 동작하며, 즉 전력 트랜지스터들이 가열 및 냉각 페이즈에 각각 대응하여 고주파에서 턴온 및 턴오프 페이즈를 교대로 나타낸다. 상기 영역의 평균 온도가 일정하더라도, 전력 트랜지스터들의 레벨에서의 온도는 초핑 주파수에서 상당히 달라지는 것을 알 수 있다.
이로써, 사용가능한 소형 크기의 차동 센서를 제작하기 위해, 가열 측이 온도 증가에 책임이 있거나 또는 측정을 위해 필요한 온도 증가를 갖는 전력 트랜지스터에 바로 근접하여 배치된다. 냉각 측은 전력 트랜지스터로부터 떨어져 배치되는데, 바람직하게는 다른 전력 트랜지스터에 의해 영향을 받지 않은 영역에 배치되며, 가능하다면 보다 큰 열적 관성으로부터 혜택을 받도록 회로의 도전성 접지면에 접속된 접지 커넥터에 근접한다. 그 후, 안정된 조건들 하에서 연속적 온도 차이를 측정하는 대신, 온도 차이의 과도 진폭이 측정된다.
도 4a는, 초핑 턴온 페이즈가 트랜지스터의 턴온 이후 동일한 레벨에 도달하기 위해 온도들 (Tc 및 Th) 에 의해 걸리는 시간과 실질적으로 동일한 경우, 센서의 단자들에서 가열 측 온도 (Th) 및 냉각 측 온도 (Tc) 와 대응 전압 (U) 의 변화의 예를 나타낸다.
시간 (t0) 에서, 트랜지스터가 턴온되는데, 이는 전력 스텝 (P) 의 적용에 대응한다. 도 3에서와 같이 온도 (Th 및 Tc) 및 전압 (U) 은, 상기 영역의 평균 온도에 대응하는 평형 온도 (TO) 로부터 시작하여 변화한다.
시간 (t2) 에서, 온도 (Tc) 가 그 최대값에서 온도 (Th) 와 결합하고 전압 (U) 가 0으로 다시 강하된 직후에, 트랜지스터가 턴오프된다. 온도들 (Th 및 Tc) 의 추세는, 온도 (Th) 에 대해 즉각적으로 그리고 온도 (Tc) 에 대한 시간 지연, 즉 트랜지스터의 턴온 페이즈에서와 동일한 시간 지연에 따라 반전된다.
전압 (U) 은, 피크 값이 트랜지스터의 가열 조건들을 결정하기 위해 용이하게 측정될 수 있는 교대의 양의 펄스 및 음의 펄스의 시리즈를 나타낸다. 전압 (U) 의 피크 값은, 이 피크 값에 냉각 소스의 온도 증가가 부가되어야 하기 때문에, 트랜지스터에 의해 획득된 온도 증가를 직접 표시하지 않는다. 그럼에도 불구하고 이 피크 값은 시간에 따른 온도 차이 (Th-Tc) 의 변동을 나타낸다.
턴온 페이즈의 끝에서 트랜지스터의 온도 증가를 알아야 할 필요가 있다면, 냉각 측 온도 (Tc) 가 현저하게 변화를 시작하지 않는 한 (시간 (t1)), 전압 (U) 은 가열 측 온도 (Th) 의 변동을 직접 나타내기 때문에, 온도 증가는 각각의 스위칭 페이즈의 시작에서 전압 (U) 의 커브로부터 추정될 수 있다. 이러한 추정의 요건들에 대하여, 신호 (U) 가 그 피크 값에 도달한다는 사실에 의해 시간 (t1) 가 신호 (U) 상에서 식별될 수 있다.
초핑 주파수가 감소한다면, 전압 (U) 의 펄스는 실질적으로 동일한 진폭 및 양태를 갖게 되지만, 그들은 더욱더 이격되게 된다.
도 4b는, 초핑 주파수가 도 4a의 경우에서보다 더 높은 상황을 나타낸다. 시간 (t2) 에서 트랜지스터가 오프될 때, 온도들 (Th 및 Tc) 중 어느 것도 그 최대값에 도달하지 않는다. 가열 측 온도 (Th) 는 초기 온도 (T0) 쪽으로 점근적으로 향하면서 즉시 감소하기 시작한다. 한편, 온도 (Th) 의 변화에 대한 시간 지연에 따라 반응하는 냉각 측 온도 (Tc) 는, 시간 지연 주기 동안 지속적으로 증가한 다음, 초기 온도 쪽으로 점진적으로 향하면서 감소하기 시작한다. 변동은 몇몇 시작 사이클 이후 주기적이게 된다.
온도들 (Th 및 Tc) 의 차이에 비례하는 전압 (U) 은 대칭적인 대안의 양태를 나타낸다. 신호의 피크값들은 도 4a의 값들보다 더 낮은 것이 관찰될 수 있다. 피크값들은 초핑 주파수가 도 4a의 상황으로부터 증가할 때 감소하는데, 이는 센서가 시스템의 열적 관성 및 그 치수들을 고려하여 관찰하기 쉬운 최대 초핑 주파수를 나타낸다. 관찰되는 트랜지스터들은 오히려 도 4a의 조건들 하에서 또는 낮은 초핑 주파수에서 동작한다.
도 4c는 초핑 듀티 사이클이 1에 근접하는 상황을 나타낸다. 트랜지스터의 턴온 페이즈들은 도 4a의 것들에 대응하며, 즉 그들은 온도들 (Th 및 Tc) 에 대해 충분히 길어서 그들의 최대값에 도달한다. 트랜지스터의 턴오프 페이즈는 냉각 측 온도 (Tc) 변화의 시간 지연에 가깝다.
시간 (t0) 에서 시작하는 제 1 턴온 페이즈 및 시간 (t2) 에서 시작하는 제 1 턴오프 페이즈 동안, 온도 (Th, Tc) 및 전압 (U) 는 도 4a에서와 같이 변화한다.
제 2 및 후속 턴온 페이즈가 발생할 때, 냉각 측 온도 (Tc) 는 아직 감소를 시작하지 않는다. 이것은 결국 턴오프 페이즈 동안 단지 온도 (Th) 만을 변화시킨다.
전압 (U) 은 비대칭 방식으로 변화한다. 그것은 단지 전압 (U) 이 음의 최대 피크값들을 나타내는 턴오프 페이즈 동안 온도 (Th) 만을 나타낸다.
앞서 도 4a 내지 도 4c의 설명에 있어서, 초기 온도 (T0) 는 일정하다고 추정된다. 이것은 회로가 그 평균 동작 온도에 도달된 안정된 동작 조건들 하에서의 경우이다. 과도 조건들 하에서, 예를 들어, 회로의 파워 온 시, 각각의 턴온 페이즈는 분위기 온도로부터 온도 (T0) 를 증가시키는 원인이 된다.
본 명세서에서 설명된 바와 같은 차동 열 센서는 트랜지스터의 절대적 열 조건들의 직접적인 결정에 적합하지 않다. 그러나, 다수의 가능한 전력 관리 애플리케이션에 있어서, 온도 변화를 아는 것은 추이들을 추정하고 이러한 추이들을 변경하기 위해 필요한 측정들을 취하기에 충분하지 않다. 예를 들어, 전력 감소를 필요로 하는 조건은 센서에 의해 공급되는 전압 (U) 이 트랜지스터의 이전 턴온 페이즈 동안 보다 더 빠르게 증가하거나, 또는 턴온 페이즈에서의 전압 (U) 의 변화가 임계치를 초과한다는 사실로부터 검출될 수 있다.
그러나, 절대적인 열적 조건들이 알려져야 한다면, 그 조건들은 회로의 파워 온 이후 전압 (U) 의 피크 값들의 부호가 있는 (signed) 변화들을 산출함으로써 추정될 수 있다. 이러한 산출은 평균 온도 (TO) 를 나타낸다. 예를 들어, 도 4a를 참고한다면, 온도 (T0) 가 제 1 턴온 페이즈 동안 증가하는 경우, 온도 (Th) 는 다음 턴오프 페이즈 동안 온도 (T0) 의 새로운 값이 된다. 이것은 이러한 페이즈 동안 전압 (U) 의 피크 값이 이전 페이즈의 피크 값보다 절대값을 더 낮게 하며, 이 피크값들 (절대값) 의 차이는 온도 (T0) 의 증가를 나타낸다.
보다 정확하게 하기 위해, 피크 값들의 차이를 산출하는 것보다, 점근선 값들의 차이가 산출될 수 있으며, 후자는 시간 tO 와 t1 사이에서, 각각의 페이즈의 시작에서 전압 (U) 의 커브를 추정함으로써 산출된다.
신호 (U) 를 사용한 측정 회로는 그 요건들에 따라 당업자에 의해 설계될 수 있게 된다. 추이들이 추정된다면, 측정 회로는 컴퓨터와 연관될 수 있다. 집적 회로의 다른 기능들을 관리하기 위한, 예를 들어 전력 관리를 위한 기존의 마이크로 제어기는, 필요한 산출들을 수행하고 요구된 액션들을 수행하기 위해 프로그래밍될 수 있다.
도 5는 열적 동작 조건들이 측정되는 MOS 전력 트랜지스터에 바로 근접하는 소형 크기의 차동 열센서의 집적의 예를 나타낸다. 트랜지스터는 라인 (A) 의 우측에 위치되고 센서는 좌측에 위치된다.
집적 회로는 P 도전형 실리콘 기판 (PWell) 상에 제작된다. N 도전성의 MOS 트랜지스터는 종래 설계의 것이다. 그것은 다결정 실리콘 게이트 (18) 에 의해 커버되는 채널 (16) 을 포함한다. 채널은 N+ 영역 (20 및 22) 에 의해 기술된다. 나타낸 바와 같이, N+ 영역 (22) 은 작은 두께의 N- "확장" 영역에 의해 채널에 접속될 수 있다. 제 1 상호접속 레벨 (M1) 에서 제작된 콘택들 (24 및 26) 은, 비아들에 의해 N+ 영역들 (20 및 22) 에 접속되고, 트랜지스터의 소스 및 드레인 전극들을 구성한다.
채널 (16) 아래의 P 영역은 절연된 웰 (PWell Iso) 로서 구성된다. 이 P웰은 매립된 N-웰 (DNW) 및 주변 N-웰 (NWell) 에 의해 기술된다. 상호접속 레벨 (M1) 에서 제작된 콘택들 (28, 30 및 32) 은, 각각의 P+, N+ 및 P+ 영역들에 의해 기판 (PWell), 주변 웰 (NWell) 및 절연된 P-웰 (PWell Iso) 과 콘택하게 한다. 이러한 다양한 영역들은 얕은 트렌치 절연체 (STI) 에 의해 서로 절연된다.
도 1과 관련하여 설명된 바와 같이, 센서는 라인 (A) 의 좌측에 대해 써모파일을 포함한다. 센서의 다결정 실리콘 바들 (12 및 14) 은 기판에 제작된 얕은 트렌치 절연체 (34) 상에 배열된다. 또한, 이 전기 절연체는 기판과 센서 사이 그리고 센서의 가열 측과 냉각 측 사이에서 열 전달을 제한하는 열적 절연체임을 입증한다. 두꺼운 산화물 또는 질화물과 같은 다른 절연체들이 예상될 수 있다.
도면의 가장 좌측 상의 센서의 냉각 측은, 비아들의 스택 및 연속적 상호접속 레벨들에서의 금속화들 (단지 M1 및 M2 2개 만을 나타냄) 에 의해 형성된 열적 브리지에 의해 칩 표면 상의 금속 스트립 (미도시) 에 커플링되는 것이 바람직하다. 이 스트립은 콘택 비드에 의해 히트 싱크에 접속될 수 있다. 그 목적은 가능한 일정한 온도 (Tc) 로 그것을 유지하기 위해 센서의 냉각 측을 이상적으로 온도조절장치 (thermostat) 에 열적 커플링하는 것이다. 실제로, 회로의 접지면에 커플링된 콘택 비드는 센서 상의 측정에 대해 필요한 시간에 관하여 양호한 열적 관성을 나타낼 수 있다. 이 열적 관성은 또한 접지 면에 열적 브레이크를 형성함으로써 강화될 수 있어, 당업자에 의해 달성될 수 있는 바와 같이 제어 접지 접속들로부터 전력 접지 접속들을 분리한다.
내열성을 감소시키기 위해 다수로 제작되는 비아들은, 바들 (12 및 14) 과 어떠한 전기적 콘택도 하지 않는다. 비아들은 열을 수집하기 위해 바들의 말단 주위 모두의 절연체 (34) 상에 나타난다. 전용 비아들만이 센서에 의해 공급되는 전압 (U) 을 동작 회로에 전달하는데 유용한 금속 트랙들에 센서의 출력 콘택들을 접속시킨다.
트랜지스터가 가열되는 영역이 채널 (16) 이다. 이에 따라, 센서의 가열 측은 가능한한 채널 가까이에 배치되어야 한다. 그러나, 나타낸 바와 같이, 센서의 이러한 가열 영역은 기껏해야 트랜지스터의 주변과 콘택하여 배치될 수 있다. 센서는, 나타낸 바와 같이, MOS 전력 트랜지스터의 경우, 주변으로부터 비교적 멀리 채널을 배치하는 트랜지스터를 구성하는 엘리먼트들과 간섭하지 않아야 한다.
채널 (16) 과 센서의 가열 측 사이의 열 전달을 개선하기 위해, 열적 브리지 (36) 는, 예를 들어 상호접속 레벨 (M2) 에서 금속화의 형태로 제공되는 것이 바람직하다. 이 브리지는 하나의 말단에 의해 트랜지스터의 소스 전극 (24) 에 접속되고 다른 말단에 의해 센서의 가열 측에 접속된다. 접속은 비아들에 의해 제작되고, 적용가능하다면, 중간 상호접속 레벨들 (센서 측 상의 M1) 의 금속화들에 의해 제작된다. 센서의 냉각 측에 대해, 열적 브리지 (36) 의 비아들은 바들 (12 및 14) 의 말단 주위에서 절연체 STI (34) 와 콘택하게 된다.
열적 브리지 (36) 가 최적 효율을 갖도록 하기 위해, 그 폭 (도면의 평면에 수직인, 가시화될 수 없는 치수) 은 센서 측 상에서 써모파일의 폭과 같고, 트랜지스터 측 상에서 소스 전극 (24) 의 폭과 같다.
브리지 (36) 는 비교적 큰 금속량을 형성하고 이에 따라 높은 전기 캐패시턴스를 형성하기 때문에, 트랜지스터 측 상에서 적은 전압 변화를 겪는 콘택에 접속되어야 한다. 이것은 일반적으로 전력 트랜지스터의 소스이며, 이는 공급 전압 (N 도전형 트랜지스터에 대해 접지, P 도전성 트랜지스터에 대해 공급 전압) 에 접속된다.
현재의 실리콘 상의 집적 기술에 있어서, 각각의 상호접속 레벨에서의 금속의 양은, 평탄화 동작들 이후 적절한 표면 상태 및 균일한 두께를 획득하기 위해, 금속화들 사이의 간극을 채우는 절연체에 대해 최소 비율을 준수하여야 한다. 화학 기계 연마 (CMP) 의 경우, 이 비율은 약 10 내지 15% 이다. 이러한 제한은 집적회로 설계 툴들에서 통합되어, 금속의 비율이 불충분하게 존재하는 것을 발견할 때, 이러한 툴들은 상호 접속 레벨의 표면 상에 규칙적으로 분포된 소형 금속 범프들 (더미들이라 칭함) 을 자동으로 추가할 것이다.
도 5에 나타낸 바와 같은 센서에 있어서, 더미들은 센서의 가열 측과 냉각 측 사이에서 각각의 상호접속 레벨에 필연적으로 삽입되게 된다. 이 더미들은 내열성을 감소시키고 가열 측에 의한 냉각 측의 가열을 강화한다. 이것은 결국내열성의 감소를 보상하기 위해 센서의 길이를 증가시킨다. 그러나, 약 100㎛의 길이를 갖는 유용한 결과가 획득된다.
도 6은 CMP 제약들을 고려하여 길이의 최적화를 가능하게 하는 열 센서의 구조를 나타낸다.
이 구조에 사용된 하나의 원리는, 신중한 방식으로, CMP 동작의 기술적 요건들에 따라, 최소 금속을 분포하는 것이어서, 센서의 가열 측 및 냉각 측 사이의 열 전송이 불리하다. 사용된 기술은, 예를 들어 7개의 상호접속 레벨들 (M1 내지 M7) 을 포함한다. 이에 따라, 이들 레벨들 각각에 있어서, 금속의 최소 비율이 고려되어야 한다.
센서의 냉각 측 상에서, 도 5와 관련하여 규정된 바와 같이, 비아들에 의해 접속된 금속화 (38) 의 수직 스택이 제공된다. 금속화 레벨 (M1) 은, 도 5와 관련하여 언급되었던 바와 같이, 후자와 전기적 콘택하지 않으면서, 비아들에 의해 센서의 바들 (12, 14) 의 말단 주위에서 절연체 STI (34) 에 접속된다. 이 금속화들의 폭, 즉 도면의 평면에 수직인 치수는, 대략, 센서를 구성하는 써모파일의 폭이다.
금속화 레벨 (M7) 은, 히트 싱크와 직접 콘택하도록 배치되거나 또는 콘택 비드에 의해 인쇄 회로의 금속 스트립에 접속될 수 있는, 집적 회로의 외측으로부터 액세스될 수 있는 콘택 스트립에 접속되는 것이 바람직하다.
센서의 가열 측 상에서, 금속 스텝들을 갖는 계단을 형성하는 스텝형 구조들 (40) 이 연속 상호접속 레벨들 (M1 내지 M7) 에 제공된다. 제 1 계단은 센서의 가열 말단에서의 제 1 레벨 (M1) 에서 시작하고 냉각 측 쪽을 향하는 칩의 표면을 향해 위쪽으로 연장한다. 다음 계단은, 제 1 계단이 레벨 (M7) 에서 정지하는 실질적으로 수직으로 레벨 (M1) 에서 시작한다. 나타낸 치수들에 의해, 이 제 2 계단은 냉각 측 상의 스택 (38) 으로부터 떨어져 존재하도록 레벨 (M6) 에서 정지한다.
센서가 더 길어진다면, 이 제 2 계단은 또한 레벨 (M7) 에서 정지하고, 제 3 계단은 스택 (38) 이 도달될 때까지 제 2 계단 등의 마지막 스텝과 수직으로 레벨 (M1) 에서 시작하게 된다.
스텝들은 비아들에 의해 접속될 수 있도록 하나의 레벨에서 다음 레벨까지 약간 오버랩한다. 레벨 (M1) 의 제 1 계단들은, 하향 방향으로 그들을 접속시키는 비아들을 포함하지 않는다. 게다가, 제 1 계단의 제 1 스텝이, 열적 브리지 (36) 와 동일한 레벨 (M1) 로 이루어지더라도, 열적 브리지에 접속되지 않는다. 이 계단들은, 사실상 열적으로 그리고 전기적으로 집적 회로의 다른 엘리먼트들과 절연되는 것이 바람직하다.
스텝들의 깊이는, 각 레벨에서의 금속의 비율이 요구된 최소치 (10 내지 15%) 와 같도록 선택된다. 예시적인 목적들을 위해, 65nm CMOS 기술에 있어서, 레벨들 (M6 및 M7, 금속이 더 두꺼움) 의 단계들에 대해 2.2㎛ 깊이가 취해질 수 있고, 나머지 레벨들에 대해 1.6㎛의 깊이가 취해질 수 있다. 제 2 계단은, 제 1 계단의 마지막 스텝 이후 1.2㎛ 로 시작할 수 있다.
계단들의 폭은, 열적 브리지 (36) 의 폭과 같이, 대략, 센서를 구성하는 써모파일의 폭이다.
스텝형 구조들 (40) 은 열의 전파를 센서의 냉각 측으로부터 떨어져 상향으로 조성하는 열적 디플렉터로서 작용한다. 이러한 금속의 분포로 인해, 약 20㎛의 길이를 갖는 유용한 열 센서만이 제조될 수 있다.
도 7은 전력 스텝에 응답하여 도 6의 센서 유형의 프로토타입에 의해 전달되는 전압 (U) 과 가열 측 온도 (Th) 및 냉각 측 온도 (Tc) 의 변화를 나타낸다. 센서의 써모파일은, 각각 n 도전형 및 p 도전형이고, 20㎛의 길이를 갖는, 단지 2 개의 다결정 실리콘 바들만을 포함한다.
전력 스텝은 온도의 점근 값이 약 50K 이다. 실제로, 온도 (Th) 는 100㎲ 이후에 이 값에 도달한다. 냉각 측 온도 (Tc) 는, 스텝의 시작 이후 약 6㎲ 의 시간 지연을 가지고 작용한다. 상기 스텝의 시작 후 6.2 ㎲ 에서, 최대 전압 (U) 4.9mV 가 측정된다. 8개의 바들을 갖는 써모파일을 사용함으로써, 이 값은 4배로 되면서, 동시에 매우 작은 치수들을 나타내는 센서를 제공한다. 바들의 개수 및 이에 따른 써모파일의 접합의 개수는, 센서 출력을 사용하는 회로의 감도 및 요구된 정확도에 따라 선택되어야 한다.

Claims (12)

  1. 반도체 기술에 있어서의 집적 회로로서,
    - 촙드 모드 (chopped mode) 에서 동작하도록 구성된 적어도 하나의 MOS 트랜지스터를 포함하고, 가열 주기 및 냉각 주기를 갖는 간헐 가열 소스 (16) 를 형성하는 기능 유닛;
    - 상기 간헐 가열 소스 (16) 에 근접하여 배열된 가열 측 (Th) 과 냉각 측 (Tc) 이 구비되고, 상기 가열 측 (Th) 과 상기 냉각 측 (Tc) 사이의 온도 차이에 따른 신호를 공급하는 열전 디바이스로서, 상기 가열 측 및 상기 냉각 측은 상기 간헐 가열 소스 (16) 의 온도가 변화할 때 상기 가열 측 및 상기 냉각 측의 온도들이 평형을 이루도록 변화하는, 상기 열전 디바이스; 및
    - 상기 가열 소스 (16) 의 온도가 변화할 때의 시간으로부터 상기 냉각 측 온도가 증가하기 시작하는 시간까지의 상기 신호의 부분 (t0-t1) 에 따라 상기 가열 소스 (16) 의 온도 또는 열적 조건에 관한 정보를 제공하는 측정 회로를 포함하는, 집적 회로.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 측과 상기 냉각 측 사이의 거리는 100㎛ 미만인 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 측 (Th) 은 상기 반도체 기술의 상호접속 레벨에서 형성되는 열적 브리지 (36) 에 의해 상기 간헐 가열 소스 (16) 에 커플링되는 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 디바이스가 절연체 (34) 상에 제작되는 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    수 개의 상호접속 레벨들 (M1-M7) 을 제공하고 레벨 당 금속의 양과 각 레벨 사이의 절연체의 양 간의 최소 비율을 준수하도록 제작되며,
    상기 가열 측 (Th) 으로부터 시작하고 상기 냉각 측 (Tc) 을 향해 진행하는 센서의 평면으로부터 떨어져 이동하는 스텝형 구조 (40) 를 포함하며, 상기 스텝형 구조 (40) 의 스텝들은 연속적인 상호접속 레벨들 (M1-M7) 에서의 금속으로 제작되는 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 집적 회로의 외측으로부터 액세스가능한 스트립에 상기 냉각 측 (Tc) 을 접속시키는 열적 브리지 (38) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 간헐 가열 소스 (16) 는 촙드 모드 (chopped mode) 에서 동작하는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 열적 브리지 (36) 는, 상기 열전 디바이스와 전기적으로 콘택하지 않으면서 상기 열전 디바이스의 일 말단 주위에 배열되는 비아들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 열적 브리지 (38) 는, 상기 열전 디바이스와 전기적으로 콘택하지 않으면서 상기 디바이스의 일 말단 주위에 배열된 비아들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 측 및 상기 냉각 측은, 상기 가열 주기의 말단에서 상기 가열 측 (Th) 의 온도가 상기 냉각 측 (Tc) 의 온도보다 더 크고, 상기 냉각 주기의 말단에서 상기 냉각 측 (Tc) 의 온도가 상기 가열 측 (Th) 의 온도보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 집적 회로.
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