TWI742613B - 積體電路的溫度感測裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種積體電路的溫度感測裝置。積體電路包括堆疊的多個金屬導線層，且溫度感測裝置包括第一金屬片、第一通孔與第二通孔。第一金屬片配置於這些金屬導線層中的第一金屬導線層與第二金屬導線層之間。第一通孔與第二通孔用以連接第一金屬片與第一金屬導線層，其中，一溫度感測信號通過第一通孔進入第一金屬片且通過第二通孔離開第一金屬片以量測積體電路的溫度。

Description

積體電路的溫度感測裝置
本發明是有關於一種半導體技術，且特別是有關於一種積體電路的溫度感測裝置。
隨著製程技術的進步，積體電路(Integrated Circuit，IC)的尺寸愈縮愈小，整合度愈來愈高。直至現在，業界已經發展出將電子系統整合在單一晶片上的單晶片系統(System on a Chip，SOC)。然而，由於晶片內部的電子元件配置十分緊密，電子元件操作時所產生的熱能會嚴重影響SOC的表現，因此監控SOC內部的溫度變化是一件非常重要的事。
本發明提供一種積體電路的溫度感測裝置，其結構簡單與製造容易，並且能精準量測積體電路的內部溫度。
本發明的實施例提供一種積體電路的溫度感測裝置。積體電路包括堆疊的多個金屬導線層，且溫度感測裝置包括第一金 屬片、第一通孔與第二通孔。第一金屬片配置於這些金屬導線層中的第一金屬導線層與第二金屬導線層之間。第一通孔與第二通孔用以連接第一金屬片與第一金屬導線層，其中，一溫度感測信號通過第一通孔進入第一金屬片且通過第二通孔離開第一金屬片以量測積體電路的溫度。
在本發明的一實施例中，上述的溫度感測裝置的二金屬導線層與第一金屬導線層相鄰，並且位於第一金屬導線層下方，其中第一金屬導線層為這些金屬導線層中的最上層或是次上層。
在本發明的一實施例中，上述的溫度感測裝置的第一金屬片的材料包括鈦、氮化鈦、鋁銅或上述材料的混合物。
在本發明的一實施例中，上述的溫度感測裝置的第一金屬片的薄膜電阻值大於該些金屬導線層的薄膜電阻值。
在本發明的一實施例中，包括上述的溫度感測裝置的積體電路所適用的製程解析度落在90奈米至0.18微米的範圍內。
在本發明的一實施例中，上述的溫度感測裝置還包括第二金屬片與介電層。第二金屬片位於第一金屬片的下方且配置於第二金屬導線層面向第一金屬導線層的表面上。介電層配置於第二金屬片與第一金屬片之間。
在本發明的一實施例中，包括上述的溫度感測裝置的積體電路的一電容器的電極材料與第一金屬片以及第二金屬片的材料相同。
在本發明的一實施例中，上述的溫度感測裝置的溫度感 測裝置是第一金屬片的電阻值的測量結果。
基於上述，本發明的實施例提出一種積體電路的溫度感測裝置。該溫度感測裝置包括形成在積體電路中的第一金屬導線層與第二金屬導線層之間的第一金屬片以及連接第一金屬片與第一金屬導線層的第一通孔跟第二通孔。溫度感測信號經由第一通孔進入第一金屬片，在經由第二通孔離開第一金屬片回到第一金屬導線層。溫度感測信號感測第一金屬片對溫度的反應，藉此獲得積體電路的內部溫度。本發明提出一種架構簡單，並且能精準反應溫度的溫度感測裝置。除此之外，本發明的溫度感測裝置製作簡單，可避免造成製程負擔。
100:系統單晶片
102:積體電路
104、300、400:溫度感測裝置
110:第一金屬片
120:第二金屬片
130:介電層
310:電阻電壓轉換電路
320:類比數位轉換器
410:電阻時間轉換電路
420:時間數位轉換器
IMD:金屬層間介電質層
MT:第一金屬導線層
MB:第二金屬導線層
S:溫度感測信號
V1:第一通孔
V2:第二通孔
VIA:通孔
圖1是依照本發明的一實施例的一種系統單晶片的示意圖。
圖2是依照本發明的一實施例的一種溫度感測裝置的結構剖面圖。
圖3A是依照本發明的另一實施例的一種溫度感測裝置的方塊圖。
圖3B是依照本發明的另一實施例的一種溫度感測裝置的方塊圖。
圖1是依照本發明的一實施例的一種系統單晶片的示意圖。請參照圖1，系統單晶片100包括至少一積體電路102與溫度感測裝置104。積體電路102包括配置在基板上的多個金屬導線層。這些金屬導線層堆疊在基板上，並且通過多個通孔達成在垂直方向的電性連接。這些金屬導線層具有線路圖案(wire pattern)，用以為積體電路102的電源、電晶體、電容器或其他電子元件提供內部連線(interconnect)。在本實施例中，溫度感測裝置104設置在這些金屬導線層之間，用以量測積體電路102的內部溫度。
圖2是依照本發明的一實施例的一種溫度感測裝置的結構剖面圖。圖1的實施例可適用於圖2的實施例。請搭配圖1參照圖2，第一金屬導線層MT與第二金屬導線層MB是積體電路102的多個金屬導線層的其中之二，通孔VIA用以連接第一金屬導線層MT與第二金屬導線層MB。第二金屬導線層MB與第一金屬導線層MT相鄰，並且第二金屬導線層MB位於第一金屬導線層MT下方。具體來說，第一金屬導線層MT與第二金屬導線層MB是多個金屬導線層中相鄰的上下兩層，並且第二金屬導線層MB比第一金屬導線層MT更靠近基板。在本實施例中，第一金屬導線層MT是這些金屬導線層中的最上層(最遠離基板)或是次上層(離基板第二遠的金屬導線層)。當第一金屬導線層MT是最上面的金屬導線層時，第二金屬導線層MB是次高的金屬導線層。當第一金屬導線層MT是多個金屬導線層中的次上層時，第二金 屬導線層MB就是第三高的金屬導線層。第一金屬導線層MT與第二金屬導線層MB被金屬層間介電質層(Inter-Metal Dielectric Layer)IMD所隔開。在金屬層間介電質層IMD中具有通孔VIA讓電子信號在第一金屬導線層MT與第二金屬導線層MB間傳輸。
補充說明的是，積體電路102的多個金屬導線層(包括第一金屬導線層MT與第二金屬導線層MB)的表面上可能還包括蝕刻終止層(etching stop layer)或阻障層(Barrier Layer)等，但未顯示在圖2中。本領域具有通常知識者可依據現有技術以及通常知識了解積體電路102中金屬導線層的結構。
在圖2中，溫度感測裝置104至少包括第一金屬片110、第一通孔V1以及第二通孔V2。第一金屬片110配置於積體電路102的第一金屬導線層MT與第二金屬導線層MB之間。第一通孔V1與第二通孔V2用以連接第一金屬片110與第一金屬導線層MT，其中溫度感測信號S通過第一通孔V1進入第一金屬片110且通過第二通孔V2離開第一金屬片110。溫度感測信號S用以量測積體電路102的內部溫度。
特別說明的是，第一金屬片110的厚度薄於這些金屬導線層，並且材質與積體電路102的金屬導線層的材質不相同。第一金屬片110的材料可以包括鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鋁銅(AlCu)或上述材料的混合物等，不限於此。上電極110的薄膜電阻值(sheet resistance)大於這些金屬導線層的薄膜電阻值。除此之外，第一金屬片110的材質也具有高電阻值溫度變化率。在一實施例中， 第一金屬片110的薄膜電阻值是11.5Ω/sq，其電阻值溫度變化率為0.005%/C。當溫度改變時，第一金屬片110的薄膜電阻值也會跟著有明顯的改變，因此溫度感測信號S經過第一金屬片110後會對應電阻值(受溫度影響)而產生明顯的變化，能夠對抗雜訊的干擾。相較之下，雙極性電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)的基極(Base，B)-射極(Emitter，E)的電壓對溫度變化較小，因此容易受到雜訊干擾而不能精準反應溫度變化。
在本實施例中，溫度感測裝置104還包括第二金屬片120以及介電層130。第二金屬片120位於第一金屬片110的下方且配置於第二金屬導線層MB面向第一金屬導線層MT的表面上。介電層130配置於第二金屬片120與第一金屬片110之間。溫度感測裝置104的第一金屬片110、第二金屬片120以及介電層130可組成一種金屬-絕緣體-金屬電容器(MIM電容器)。
在本實施例中，積體電路102所適用的製程解析度落在90奈米至0.18微米的範圍內。當積體電路102的電路設計有包括電容器時，積體電路102的電容器的電極材料與第一金屬片110以及第二金屬片120的材料相同。電容器的介電質材料也可以跟介電層130相同。也就是說，溫度感測裝置104的結構可以與積體電路102的電容器的結構相同。因此在積體電路102的半導體製程中，方便於製造MIM電容器時一併製造溫度感測裝置104，如此一來可簡化製造流程，並且節省生產成本。
特別說明的是，本發明不限制第一金屬片110與第二金 屬片120之間所產生的電容值。
圖3A是依照本發明的另一實施例的一種溫度感測裝置的方塊圖。請參照圖3A，溫度感測裝置300適用於圖1與圖2的實施例。相較於溫度感測裝置104，溫度感測裝置300還另外包括電阻電壓轉換電路310與類比數位轉換器(ADC)320。在本實施例中，溫度感測信號S是第一金屬片110的電阻值RT的測量結果。電阻電壓轉換電路310從溫度感測裝置104接收溫度感測信號S，將溫度感測信號S轉換成一電壓信號並提供至ADC 320。最後，ADC 320輸出呈數位信號形式的溫度信號。
圖3B是依照本發明的另一實施例的一種溫度感測裝置的方塊圖。請參照圖3B，溫度感測裝置400適用於圖1與圖2的實施例。相較於溫度感測裝置104，溫度感測裝置400還另外包括電阻時間轉換電路410與時間數位轉換器(TDC)420。在本實施例中，溫度感測信號S是測量第一金屬片110的電阻值RT的結果。電阻時間轉換電路410接收溫度感測信號S並對應輸出頻率信號至TDC 420。接著，TDC 420輸出呈數位信號形式的溫度信號。
補充說明的是，由於本實施例的第一金屬片110選擇使用選擇了具有高電阻值溫度變化率的材料，因此可以在降低對ADC 320或TDC 420的解析度要求的條件下，依舊精準地獲得積體電路102的溫度。
綜上所述，本發明的實施例提出一種積體電路的溫度感 測裝置。該溫度感測裝置包括形成在積體電路中的第一金屬導線層與第二金屬導線層之間的第一金屬片以及連接第一金屬片與第一金屬導線層的第一通孔跟第二通孔。本發明的實施例根據溫度感測信號通過第一金屬片的結果來精準測量積體電路的溫度。由於在積體電路的半導體製程中，在製作電容器時具有在金屬導線層之間形成電極的步驟，因此本發明的溫度感測裝置可以在形成電極的製程中一起產生，降低積體電路的製程負擔。
104:溫度感測裝置
110:第一金屬片
120:第二金屬片
130:介電層
IMD:金屬層間介電質層
MT:第一金屬導線層
MB:第二金屬導線層
S:溫度感測信號
V1:第一通孔
V2:第二通孔
VIA:通孔

Claims (7)

  1. 一種積體電路的溫度感測裝置，其中該積體電路包括堆疊的多個金屬導線層，且該溫度感測裝置包括：一第一金屬片，配置於該些金屬導線層中的一第一金屬導線層與一第二金屬導線層之間；一第一通孔與一第二通孔，用以連接該第一金屬片與該第一金屬導線層；一第二金屬片，位於該第一金屬片的下方且配置於該第二金屬導線層面向該第一金屬導線層的一表面上；以及一介電層，配置於該第二金屬片與該第一金屬片之間；其中，一溫度感測信號通過該第一通孔進入該第一金屬片且通過該第二通孔離開該第一金屬片以量測該積體電路的溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的溫度感測裝置，其中該第二金屬導線層與該第一金屬導線層相鄰，並且位於該第一金屬導線層下方，其中該第一金屬導線層為該些金屬導線層中的最上層或是次上層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的溫度感測裝置，其中該第一金屬片的材料包括鈦、氮化鈦、鋁銅或上述材料的混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的溫度感測裝置，其中該第一金屬片的薄膜電阻值大於該些金屬導線層的薄膜電阻值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的溫度感測裝置，其中該積體電路所適用的製程解析度落在90奈米至0.18微米的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的溫度感測裝置，其中該積體電路的一電容器的電極材料與該第一金屬片以及該第二金屬片的材料相同。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的溫度感測裝置，其中該溫度感測信號是該第一金屬片的電阻值的測量結果。
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