TWI430568B - 使用晶片互連層的振動微機電系統諧振器之熱感測器 - Google Patents

使用晶片互連層的振動微機電系統諧振器之熱感測器 Download PDF

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TWI430568B
TWI430568B TW099140390A TW99140390A TWI430568B TW I430568 B TWI430568 B TW I430568B TW 099140390 A TW099140390 A TW 099140390A TW 99140390 A TW99140390 A TW 99140390A TW I430568 B TWI430568 B TW I430568B
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Tawfik M Rahal-Arabi
Gregory Taylor
Kevin J Fischer
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Description

使用晶片互連層的振動微機電系統諧振器之熱感測器
本發明之實施例關於熱感測器。更具體而言，本發明之實施例關於積體電路互連層中之微機電系統(MEMS)熱感測器的設計、製造及使用。
積體電路上之熱感測一直仰賴奈米尺寸之基於電晶體的熱感測器，該熱感測器係根據電壓參考值來操作。例如，處理器核心中之電流熱感測器包含使用能隙參考值來偵測溫度之雙極電晶體，其中跨於接面之電壓會隨溫度而改變。
然而，這些熱感測器技術仰賴類比電晶體，由於該類比電晶體之尺寸，該類比電晶體對於製程變動相當敏感。這種敏感性對感測器準確度及線性會有影響。例如，由於熱感測器準確度及線性可導致電力損失平台雜訊、可靠度降級以及平台效能損失，因此熱感測器準確度及線性對於處理器核心的操作相當重要。
由於持續的製程調整，製程變動對於仰賴能隙電壓參考值的熱感測電晶體的準確度有更加嚴重的影響。此外，用於積體電路操作之關鍵熱臨限通常在互連層中，而不是在電晶體層中。
 【發明內容及實施方式】
在以下說明內容中，說明了數種特定細節。然而，可不藉由這些特定細節來實施本發明之實施例。於其它例子中，為了不糢糊對本說明書之瞭解，因此並未詳細地表示熟知的電路、結構及技術。
日益增加的熱感測可用於支援增進的系統效能。然而，為了達到廣泛的接受度，日益增加的熱感測之成本必須在可接受的範圍內。此處所說明的諧振器結構可提供低成本且準確度高的熱感測解決方案，其可支援日益增加的熱感測應用。
於一個實施例中，微機電系統(MEMS)諧振器在於監測積體電路(IC)的互連層之溫度。如果需要的話，感測器讀出及控制電路可形成於矽上，例如正向反饋放大器，藉以形成配合諧振器之振盪器以及用以量計振盪器頻率之計數器。於一個實施例中，可使用具有低銅沉積溫度優點的熱感測器(例如藉由於IC互連層中將銅諧振器結構圖案化)。此外，使用銅做為諧振器結構材料可增加諧振器頻率對溫度的熱依賴性，進而增加整體的感測器準確度。於一個實施例中，諧振器可於正反饋拓樸中與跨阻抗放大器連接，該跨阻抗放大器可形成於矽上，以提供振盪器。振盪器之輸出是一種訊號，其頻率取決於諧振器溫度，而且使用簡易計數器電路來計量該頻率，該計數器電路亦可實施於矽上。
圖1是具有熱感測器的電子系統的一個實施例之方塊圖。圖1所說明的電子系統在於表示電子系統(有線或無線)的範圍，例如包含桌上型電腦系統、膝上型電腦系統、行動電話、包含行動型個人數位助理(PDA)之個人數位助理、機上盒。替代之電子系統可包含更多、更少及/或不同之組件。
電子系統100可具有任何數量之熱感測器，其可包含諧振器結構及/或熱二極體。圖1之範例包含三個熱感測器(190、192及194)；然而可支援任何數量之熱感測器。熱感測器可用於監測電子系統100的各種組件及/或區域的溫度。
電子系統100包含用以傳輸資訊之匯流排105或其它通訊裝置以及耦接至匯流排105且可處理資訊之處理器110。雖然是說明電子系統100具有單一處理器，但電子系統100可包含多個處理器及/或協同處理器(co-processor)。電子系統100進一步可包含隨機存取記憶體(RAM)或其它動態儲存裝置(包含於記憶體120內)，其耦接至匯流排105且可儲存可由處理器110執行之資訊及指令。於處理器110執行指令期間，記憶體120亦可用於儲存暫時變數或其它中間資訊。記憶體120亦可包括可儲存用於處理器110之靜態資訊及指令之唯讀記憶體(ROM)及/或其它靜態儲存裝置。
電子系統100可包含熱管理系統130，其可提供熱監測及/或冷卻功能。熱管理系統130可包含一或更多個風扇及/或一或更多個液體冷卻機構，用以冷卻電子系統100之各種組件。此外，熱管理系統130可包含監測電路，用以監測電子系統100的中各種組件及/或區域的溫度。資料儲存裝置140可耦接至匯流排105，以儲存資訊及指令。諸如磁碟或光碟之資料儲存裝置140及對應之磁碟機可耦接至電子系統100。
電子系統100亦可經由匯流排105耦接至顯示裝置150(諸如陰極射線管(CRT)或液晶顯示器(LCD))，以顯示資訊給使用者。包含字母數字及其它鍵之字母數字輸入裝置160可耦接至匯流排105，以傳送資訊及命令選擇給處理器110。其它型式之使用者輸入裝置是游標控制裝置170，諸如滑鼠、軌跡球或游標方向鍵，用以傳送方向資訊及命令選擇給處理器110，且用以控制顯示器150上的游標移動。
電子系統100進一步可包含網路介面180，以提供對網路(諸如區域網路)之存取。網路介面180可包含例如具有天線185之無線網路介面，天線185可為一或更多個天線。網路介面180亦可包含例如有線網路介面，用以經由網路纜線187與遠距裝置通訊，網路纜線187可例如為乙太纜線、同軸纜線、光纖纜線、串列纜線或平行纜線。
於一個實施例中，例如藉由符合IEEE 802.11b及/或IEEE 802.11g標準，網路介面180可提供對區域網路之存取，以及/或者例如藉由符合藍芽標準，無線網路介面可提供對個人區域網路之存取。亦可支援其它無線網路介面及/或協定。
IEEE 802.11b對應於名稱為「區域及都會區網路，第11部：無線LAN媒體存取控制(MAC)及實體層(PHY)規範：2.4GHz頻帶之較高速實體層延伸」之IEEE Std.802.11b-1999(核准於1999年9月16日)及相關文件。IEEE 802.11g對應於名稱為「區域及都會區網路，第11部：無線LAN媒體存取控制(MAC)及實體層(PHY)規範，修正4：2.4GHz頻帶之進一步較高速實體層延伸」之IEEE Std.802.11g-2003(核准於2003年6月27日)及相關文件。藍芽協定係說明於2001年2月22日由藍芽特定利益聯盟所公告之「藍芽系統規範：第1.1版核心」中。亦可支援藍芽標準之關聯以及先前或後續版本。
此外，除了無線LAN標準之通訊外，或替代無線LAN標準之通訊，網路介面180可提供例如使用分時多工存取(TDMA)協定、全球行動通訊系統(GSM)協定、分碼多工存取(CDMA)協定及/或任何其它型式之無線通訊協定之無線通訊。
圖2是可使用做為熱感測器之諧振器之一個實施例之實體圖式。圖2之範例雙嵌位(clamped-clamped)射束MEMS諧振器之範例。該諧振器之頻率可表示為如下：
其中keff 為諧振器材料之有效硬度，meff 為諧振器材料之有效質量，E為楊式模數，ρ為諧振器材料之密度。因此，當電容C(t)隨諧振器結構之撓曲而改變時，施加於諧振器結構之電壓Vin (t)會導致輸出電流Io (t)之成比例改變。
圖3A是可使用做為熱感測器之諧振器之一個實施例之電路圖。圖3A之電路圖將諧振器結構之可變電容模型化為可變電容器，其中輸出電流可表示為如下：
圖3B是根據一個實施例之用於產生電訊號之電路。圖3B所示之電路產生來自差動放大器之輸出電訊號Vout1，該差動放大器具有MEMS諧振器在該差動放大器之一個反饋迴圈上，並具有一或更多個阻抗元件(例如電阻器)在該差動放大器之另一個反饋路徑上。輸出電訊號Vout1可代表MEMS諧振器設置於其中之互連層之熱條件，例如熱管理或其它控制邏輯。必須瞭解者為，圖3B所示之電路表示用於根據MEMS諧振器之共振而產生這種熱感測電訊號之許多不同機構其中之一。
圖4A至4I說明根據一實施例之製程選擇操作，其用於在互連層中製造可使用做為熱感測器之MEMS諧振器結構。圖4A表示製造MEMS諧振器結構之材料的早期階段。矽晶圓之互連層400可包含一或更多組成層，例如包含至少一個介電材料層之各層。舉例而言，互連層400可包含一或更多層之第一介電質405，例如諸如Si3 N4 之氮化矽。於一實施例中，第一介電質405可被摻雜，例如以碳摻雜來形成碳摻雜之氧化物(CDO)。替代地或額外地，互連層400可包含一或更多層第二材料410，例如諸如氮化矽之介電層或阻障層。
可選擇第一介電層及第二介電(或阻障金屬)層，用以完成一介電層與另一個介電(或阻障金屬)層之間的選擇，該項選擇在於完成諸如圖4A至4I所表示之結構，用以產生諧調器與介電層之間的氣隙。必須瞭解者為，完成該項選擇之技術係本項技藝中已知之技術。雖然此處已以兩種不同介電材料405、410之各種不同層來加以說明，然而必須瞭解者為，本發明之特定實施例可以不同方式包含介電材料及至少一種阻障金屬之對應層。
互連層400的一或更多組成層可於其中藉由範例通孔415來定位一或更多互連結構，如圖1所示。該互連層400的一或更多組成層可進一步於其中定位電極420。於一實施例中，通孔415及電極420中之一或更多個可為銅。
光阻層423可沉積於頂介電層(此處為一層第二介電質410)之上，以用於MEMS諧調器構造的製造。然後可例如藉由微影法產生延伸通過光阻層423並進入互連層400的各種不同組成層之通道。於一實施例中，可藉由介電材料使通道的底部426與電極420分離，如此可產生電容間隙。如以下所討論，該電容間隙可提供諧振器之自由振動。
圖4B表示：於移除光阻層423之後，沉積第一金屬層430及第二金屬層433於互連層400之頂表面之上。可選擇第一金屬及第二金屬，用以完成這兩種金屬之間的選擇，該項選擇在於完成圖4A至4I所表示之結構。於一實施例中，第二金屬可為銅，而第一金屬則為例如鈦、鈷等之金屬，其對濕蝕刻具有敏感性，其相對於銅對濕蝕刻之敏感性而言係具有充分選擇性。必須瞭解者為，完成該項選擇之技術係本項技藝中已知之技術。
層430可包含鈦或其它適合金屬之犧牲層。將層433沉積於層430之頂部可包含首先將第二金屬(例如銅)之晶種層(圖未示)沉積於層430之上，隨後將更多之第二金屬電鍍於晶種層之上。
圖4C表示諧振器結構440之製造。例如藉由化學機械研磨來移除大部份的層430及層433，以留下諧振器結構440於通道中。諧振器結構440與電極420間的電容間隙可使諧振器自由振動。當輸入訊號(來自反饋放大器)匹配諧振器之自然頻率時，諧振器將會振動。當諧振器振動時，其於靜止電極與正在振動之諧振器之間產生時變電容器做為第二電極，且該時變電容器跨過諧振器與靜止電極之間的氣隙。跨於該時變電容器之所施加DC偏壓將於頻率等於振動頻率時獲取輸出電流，且該輸出電流流回進入圖3B之跨阻抗放大器之輸入端，例如關閉反饋迴圈及界定整體電子振盪器頻率。換言之，振盪器電路之操作頻率係由機械諧振器之振動頻率所界定。當溫度改變，諧振器之頻率將會改變，且因此電子電路之振盪頻率將會改變，以指示溫度。
第一金屬之額外犧牲層443係沉積於互連層400之頂表面之上。犧牲光線吸收材料(SLAM)之塊體446係沉積於諧振器結構440上方之犧牲層443上，而且光阻之塊體449係沉積於塊體446上。塊體446及塊體449係備製用於部份移除犧牲層443。
圖4D表示在諧振器結構440周圍之殼體450的製造。可進行蝕刻來移除層443中未被塊體446覆蓋之區域。然後進行清潔以移除塊體446及塊體449。其後，第一介電質405之額外層453可沉積於互連層之頂表面之上。在此時，由第一金屬構成之殼體450係圍繞於由第二金屬所構成之諧振器結構440之周圍。殼體450可包含水平延伸的蓋452，以覆蓋諧振器結構440的寬度。
圖4E及4F表示從諧振器結構440之周圍移除由第一金屬構成之殼體450之初始備製。SLAM層456係沉積於互連層400之頂表面之上。其後，光阻層459係沉積於SLAM層456上。例如藉由微影術在殼體450之上方於各別點將一或更多個通道460蝕刻進入光阻層459。如圖4F所示，進行額外蝕刻，以將一或更多個通道460向下延伸超過介電層，以便曝露部份殼體450，例如曝露蓋452。
圖4G及4H表示移除殼體450操作。可進行清潔工作來移除(463)層456及層459。層453之突出區中之開口466提供了曝露殼體450之第一金屬用於濕蝕刻之方式。由於第一金屬及第二金屬之間的選擇，濕蝕刻僅僅移除殼體450之材料，進而產生了間隙區域470，用於使諧振器結構440共振於通道之內。如圖4I所示，然後可利用氮化物密封475覆蓋互連層400中包含諧振器結構440之區域。
圖5表示當從另一個剖面圖觀看時之互連層400之選擇元件。舉例而言，圖5之剖面圖可相關於圖4A至4I之剖面圖而為正交。圖中所示為第一介電質405與第二介電質410的一或更多組成層，其中有各種不同互連結構(例如通孔415)定位於其中。必須瞭解者為，圖5所示之通孔415可不同於圖4A至4I所示之那些通孔415。
諧振器結構440(例如諧振器樑)被間隙區域470所圍繞，其允許在電極420上方諧振器結構440共振於其通道之內。可藉由互連層400之其它結構部份地支撐、控制或定位諧振器結構440。例如，層453之部份可接觸諧振器結構440之各別端部。額外地或替代性地，輸出電極480可延伸經過氮化物密封475且接觸諧振器結構440之各別端部。例如藉由熱偵測電路(圖未示)，輸出電極480可進一步用於將共振結構480之共振轉換成熱偵測訊號。必須注意者為，用於將共振訊號轉換成熱偵測訊號之電路為本項技術中所熟知且可根據不同實施方式而變化。
此處說明了積體電路中用於熱感測之技術及架構。於此處之說明內容中，為了解釋之目的，陳述了數種特定細節，藉以提供對本發明徹底之瞭解。然而，熟知本項技術之人士皆會瞭解，不需該等特定細節就可實施本發明。於其它情況中，以方塊圖形式表示了幾種結構及裝置，藉以避免模糊了說明內容。
說明書中所表示之「一個實施例」或「一實施例」代表著配合實施例所說明之特定特性、結構、或特徵係包含於本發明之至少一個實施例中。出現於本說明書各處之用語「於一個實施例中」之表面意義並非一定代表同一實施例。
以下為詳細說明之一些部份，其以電腦記憶體內之資料位元上之操作的演算法及符號表示方式來呈現。這些演算說明及表示方式是熟知電腦運算技術人士所使用之手段，用以有效地傳達其工作實質內容給熟知本項技術之人士。於此處，演算法通常被認定為產生所需結果之具有自行一致性之步驟順序。這些步驟是實體量的實際處理操作所需之步驟。一般而言，雖然非屬必要，但這些量具有能被儲存、轉換、組合、比較及處理操作之電氣或磁性訊號之形式。原則上，為了一般之使用，參照到諸如位元、數值、元件、符號、字元、用詞、數字等等的這些訊號有時確實有便利性的。
然而必須瞭解著為，所有這些及類似之用詞在於與合適之實際量相關聯，並僅僅是施加於這些量之便利性標記。除非於以下討論內容中另有特定說明，否則必須瞭解者為，在整個說明內容中，討論有使用到諸如「處理」、「運算」、「計算」、「決定」、或「顯示」等等用語時，其表示電腦系統或類似電子運算裝置之動作及處理程序，其將電腦系統暫存器及記憶體中之實體(電子)量所代表的資料處理及轉換成電腦系統記憶體或暫存器或其它這類資訊儲存、傳輸或顯示裝置中之實體量所類似地代表的其它資料。
本發明亦關於用以進行此處之操作的設備。這個設備可特別建構用於所需目的，或者這個設備可包含被儲存於電腦中之電腦程式所選擇性地啟動或重新組態之一般使用之電腦。這種電腦程式可儲存於電腦可讀取儲存媒體中，該電腦可讀取儲存媒體諸如為(但不限於)任何類型之磁碟(包含軟碟)、光碟、CD-ROM、磁-光碟、唯讀記憶體(ROM)、諸如動態RAM(DRAM)之隨機存取記憶體(RAM)、EPROM、EEPROM、磁或光卡、或適於儲存電子指令之任何類型之媒體，該等電腦可讀取儲存媒體並各可耦接至電腦系統匯流排。
此處所說明之演算法及顯示裝置本質上並非有關於任何特定電腦或其它設備。各種不同之一般用途系統可與根據此處教示之程式配合使用，且事實證明建構更多特殊用途設備以進行所需方法步驟是有便利性的。各種這些系統所需之結構將說明於下。此外，本發明並非參照任何特定程式語言而說明。必須瞭解者為，各種程式語言可用於實施此處說明之本發明之教示。
除了此處說明內容之外，於不背離本發明範疇下，可對本發明所揭示之實施例及實施方式進行修改。因此，此處之說明內容及範例係在於說明，而不在於限制。本發明範疇僅由以下之申請專利範圍界定之。
100．．．電子系統
105．．．匯流排
110．．．處理器
120．．．記憶體
130．．．熱管理系統
140．．．儲存裝置
150．．．顯示裝置
160．．．字母數字輸入裝置
170．．．游標控制裝置
180．．．網路介面
185．．．天線
187．．．網路纜線
190．．．熱感測器
192．．．熱感測器
194．．．熱感測器
400．．．互連層
405．．．第一介電質
410．．．第二介電質
415．．．通孔
420．．．電極
423．．．光阻層
426．．．底部
430．．．第一金屬層
433．．．第二金屬層
440．．．諧振器結構
443．．．犧牲層
449．．．塊體
450．．．殼體
452．．．蓋
453．．．額外層
456．．．SLAM層
459．．．光阻層
460．．．通道
463．．．移除
466．．．開口
470．．．間隙區域
480．．．電極
本發明的各種不同實施例係藉由圖式中的範例來加以說明(並不在於限制)。
圖1是方塊圖，說明根據一實施例之具有熱感測器的電子系統的選擇元件。
圖2是根據一實施例之可使用做為熱感測器之諧振器之選擇元件的實體圖式。
圖3A是根據一實施例之可使用做為熱感測器之諧振器之選擇元件的電路圖。
圖3B是根據一實施例之用於產生電訊號之電路之選擇元件的等效電路圖。
圖4A至4I是方塊圖，說明根據一實施例之製程選擇操作，其用於在互連層中製造可使用做為熱感測器之MEMS諧振器結構。
圖5是方塊圖，說明根據一實施例之在互連層中可使用做為熱感測器之MEMS諧振器結構之選擇元件。
400．．．互連層
405．．．第一介電質
410．．．第二介電質
415．．．通孔
420．．．電極
440．．．諧振器結構
453．．．額外層
470．．．間隙區域
480．．．電極

Claims (15)

  1. 一種積體電路，包含：互連層，包含介電材料層，其中該介電材料層包含形成於其中之通道；以及微機電系統(MEMS)諧振器結構，用以提供對應於該諧振器結構所偵測之溫度的輸出訊號，其中該諧振器結構之一部分設置於該通道內，其中一空氣間隙將該諧振器結構之該部分的側邊各自與該通道的各別相對側邊隔開，該空氣間隙用於允許該諧振器結構之該部分在該通道內共振。
  2. 根據申請專利範圍第1項之積體電路，進一步包含用於接收來自該諧振器結構之該輸出訊號以及用以分析該輸出訊號以決定該諧振器結構所偵測之溫度之電路。
  3. 根據申請專利範圍第1項之積體電路，其中來自該諧振器結構之該輸出訊號包含一電流，該電流對應於當該諧振器以其自然頻率之一振動時電容之改變，輸出電流電容的頻率之改變對應於溫度之改變。
  4. 根據申請專利範圍第1項之積體電路，其中該諧振器結構包含至少一銅諧振器。
  5. 根據申請專利範圍第1項之積體電路，其中該積體電路是微處理器晶片。
  6. 一種測量溫度之系統，該系統包含：積體電路，包含：互連層，包含介電材料層，其中該介電材料層包含 形成於其中之通道；微機電系統(MEMS)諧振器結構，用於提供對應於該諧振器結構所偵測之溫度的輸出訊號，其中該諧振器結構之一部分設置於該通道內，其中一空氣間隙將該諧振器結構之該部分的側邊各自與該通道的各別相對側邊隔開，該空氣間隙用於允許該諧振器結構之該部分在該通道內共振；以及連接器，用於接收該輸出訊號；以及電路，與該連接器耦接，用於接收來自該諧振器結構之該輸出訊號以及用以分析該輸出訊號以決定該諧振器結構所偵測之溫度。
  7. 根據申請專利範圍第6項之系統，其中來自該諧振器結構之該輸出訊號包含一電流，當該諧振器結構之自然頻率隨該諧振器結構之溫度而改變時，該電流之頻率會改變，其中施加於該諧振器結構之電壓造成輸出電流振幅之成比例改變。
  8. 根據申請專利範圍第7項之系統，其中振盪器電路產生數位輸出訊號，其頻率等於從該諧振器結構產生的輸出電流的頻率。
  9. 根據申請專利範圍第6項之系統，其中該諧振器結構包含至少一銅諧振器。
  10. 根據申請專利範圍第6項之系統，其中該積體電路是微處理器晶片。
  11. 一種熱管理系統，包含： 積體電路之互連層，該互連層包含介電材料層，其中該介電材料層包含形成於其中之通道；微機電系統(MEMS)諧振器結構，用於提供對應於該諧振器結構所偵測之溫度的輸出訊號，其中該諧振器結構之一部分設置於該通道內，其中一空氣間隙將該諧振器結構之該部分的側邊各自與該通道的各別相對側邊隔開，該空氣間隙用於允許該諧振器結構之該部分在該通道內共振；連接器，用於接收該輸出訊號；以及熱管理電路，與該連接器耦接，該熱管理電路用於監測該輸出訊號，用以計算熱條件資料，並用以將該熱條件資料儲存於記憶體中。
  12. 根據申請專利範圍第11項之熱管理系統，其中來自該諧振器結構之該輸出訊號包含一電流，當該諧振器結構之自然頻率隨該諧振器結構之溫度而改變時，該電流之頻率會改變，其中施加於該諧振器結構之電壓造成輸出電流振幅之成比例改變。
  13. 根據申請專利範圍第12項之熱管理系統，其中振盪器電路產生數位輸出訊號，其頻率等於從該諧振器結構產生的輸出電流的頻率。
  14. 根據申請專利範圍第12項之熱管理系統，其中該諧振器結構包含銅諧振器結構。
  15. 根據申請專利範圍第11項之熱管理系統，其中該積體電路是微處理器晶片。
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