專利名稱：用于檢測芯片溫度變化的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量集成電路芯片襯底溫度的器件。
背景技術(shù)：
在許多電子系統(tǒng)中，需要能在運行時測量集成電路芯片的內(nèi)部溫度。特別是檢測 芯片溫度有可能的異常升高。已經(jīng)有基于監(jiān)測形成在芯片襯底中的電阻阻值變化的溫度測量器件。實際上，由 于硅的壓阻特性，形成在硅襯底中的電阻阻值取決于襯底所受的機械應(yīng)力。由于襯底中溫 度變化引起應(yīng)力變化，從而使得電阻值與襯底溫度相關(guān)。這種溫度測量器件的缺點在于其誤差，尤其是由于電阻制成方法所導(dǎo)致的誤差。 實際上，在等溫時，可觀測到同一半導(dǎo)體晶圓上不同芯片中形成的電阻間的阻值差異，而這 種情況在不同半導(dǎo)體晶圓各自的芯片中形成的電阻間更加嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個實施例的目的就是提供一種用于測量集成電路芯片襯底溫度 的器件，其至少克服了現(xiàn)有技術(shù)方案的一些缺點。本發(fā)明的一個實施例的目的是提供一種結(jié)構(gòu)，能夠進行準(zhǔn)確的溫度測量。本發(fā)明的一個實施例的目的是提供一種結(jié)構(gòu)，其能夠用制造CMOS集成電路所需 的制造流程來制成。因此，本發(fā)明的一個實施例的目的是提供一種器件，用來檢測集成電路芯片襯底 的溫度變化，其包括，襯底中的注入電阻，該注入電阻連接成惠特斯通橋，其中該橋中兩個 第一相對的電阻中的每一個由與第一方向平行的金屬線陣列所覆蓋，該第一方向定義為， 襯底應(yīng)力沿此方向的變化會導(dǎo)致橋中不平衡值的變化。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，橋中的兩個第二相對的電阻中的每一個由與第二方向 平行的金屬線陣列所覆蓋，該第二方向與第一方向垂直。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，兩個第一相對的電阻具有頂視圖為平行的長方條的形 狀，金屬線沿該條的長度方向延伸。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，注入電阻的頂視圖為正方形。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，注入電阻包含在第二導(dǎo)電類型區(qū)域中所制成的第一導(dǎo) 電類型的摻雜區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，金屬線由銅制成。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，金屬線由鋁制成。本發(fā)明的上述目標(biāo)、特點和優(yōu)點將結(jié)合附圖，在不局限于特定實施例的描述中詳 細討論。


圖1為惠特斯通橋的電路圖；圖2A和2B為電阻實施例的截面和頂視原理圖；圖3A和:3B為電阻另一實施例的截面和頂視原理圖，其對溫度變化特別敏感；圖4為測量集成電路芯片襯底溫度的器件實施例的簡化頂視圖；圖5為測量集成電路芯片襯底溫度的器件另外一個實施例的簡化頂視圖。
具體實施例方式為清楚起見，相同的元件在各附圖中用相同的附圖標(biāo)記表示，而且正如一般集成 電路示圖，各附圖并不符合比例。圖1為四個電阻R所組成的惠特斯通橋的電路圖，比如，用同樣的阻值。電壓Vin 加于該橋的第一對角線上，即節(jié)點A與B之間。不平衡電壓Vott可在該橋的第二對角線，即 節(jié)點C和D間產(chǎn)生。由于電阻具有相同的阻值，該惠特斯通橋正常處于平衡，則不論Vin為何值，輸出 電壓Vot都約為0V。而且，輸出電壓Vott與可能的溫度變化無關(guān)。實際上，雖然電阻值會隨 溫度變化，但是對于橋中的所有電阻來說漂移量實質(zhì)上都一樣。因此，平衡狀態(tài)保持不變。圖2A為形成在半導(dǎo)體襯底(例如，硅形成的襯底)中的注入電阻的橫截面原理圖。圖2B為圖2A中沿平面B-B的截面的頂視圖。在輕摻雜N型襯底區(qū)1的上部，制成P型摻雜區(qū)域3。在此例中，區(qū)域3的頂視圖 為長方條狀。在該長方條的末端，在區(qū)域3的上部，有重摻雜的P型接觸區(qū)域如和恥。氧 化區(qū)域7位于區(qū)域3的周圍，用來界定該電阻。在此例中，電阻上疊加覆蓋氮化物層9、氧化層11和氮化物13。在氮化物層13上， 有金屬接觸焊盤1 和15b，通過貫穿層9、11和13的通孔17a和17b與接觸區(qū)域如和恥 相連接。圖3A為注入電阻的另一個實施例的橫截面原理圖。圖:3B為圖3A的頂視圖。所示的結(jié)構(gòu)與圖2A和2B所述的結(jié)構(gòu)相同，但是在電阻之上，為平行的斷開金屬線 陣列21，例如銅或鋁線。在此例中，金屬線為縱向，即延伸方向與電阻區(qū)域3的長度方向平 行，且在接觸焊盤1 和1 之間。金屬線陣列21顯著的提高了電阻對溫度變化的靈敏度。實際上，金屬線的熱膨脹 系數(shù)遠大于硅。例如，銅的熱膨脹系數(shù)約為16. 5X IO-6oC、而硅的約為3. 5X IO-6oC Λ金 屬的晶格變形在硅結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)力。因此，與溫度變化相關(guān)的應(yīng)力變化在電阻區(qū)域3被顯 著放大。如果該應(yīng)力的方向?qū)?yīng)于硅晶格結(jié)構(gòu)的一個適當(dāng)選取的結(jié)晶軸，會讓電阻對溫度 有很高的靈敏度，如此后將被詳述的。為了最大化電阻對溫度變化的靈敏度，金屬線最好離區(qū)域3越近越好。例如，采用 集成電路芯片的第一層金屬來做這些線。而且，最好用細而密集的線。實際上，相對寬的線 或者連續(xù)的金屬平面來說，細線能反應(yīng)襯底方向應(yīng)力的變化，也就是說，主要沿金屬線的同 一方向延伸。而且這些變化基本上與溫度成線性關(guān)系。作為范例，氧化區(qū)域7界定了電阻的厚度可約為350nm，氮化物區(qū)域9的厚度可約為50nm，絕緣區(qū)域11的厚度可約為500nm，氮化物區(qū)域13的厚度可約為30nm，而金屬線21 的厚度可約為300nm以及寬度約為lOOnm。在應(yīng)用中，可以選擇所用生產(chǎn)工藝允許的最小線寬。圖4為用于測量集成電路芯片襯底溫度的器件的一個實施例的頂視圖。該器件， 在芯片襯底制成，包括一個由四個電阻31、33、35、37組成的惠特斯通橋。相對電阻31、33 為按圖2A和圖2B所述制成的注入電阻。相對電阻35、37為按圖3A和圖所述制成的有 金屬線陣列覆蓋的注入電阻。由于襯底溫度變化，在有金屬線覆蓋的電阻35、37和無金屬線覆蓋的電阻31、33 中產(chǎn)生的效果是不同的。因此，溫度的變化會引起橋不平衡值的變化。例如，當(dāng)襯底溫度從 25°C升高到100°C時，可以測到輸出電壓Vqut的變化約為5%到10%。因此，通過測量惠特 斯通橋的輸出電壓Vot的值，可獲得襯底溫度。根據(jù)另外一個實施例，相對電阻35和37可不用如圖3A和所述的縱向金屬線 陣列，而用沿電阻區(qū)域?qū)挾确较蜓由斓臋M向金屬線陣列。作為比較，考慮兩個相同的正方形(頂視圖)電阻，第一個電阻由垂直的金屬線陣 列覆蓋，而第二個電阻由橫向的金屬線陣列覆蓋。進一步來說，除了線的方向，這兩個金屬 陣列是一樣的。對于給定的溫度變化，第一個阻值的變化與第二個阻值的變化幅度相同，但 方向相反。然而，需要注意的是，在一個單晶的硅襯底中，襯底應(yīng)力變化對于沿不同結(jié)晶軸方 向的電阻所產(chǎn)生的效果是不同的。需要將電阻和金屬線按特定方向放置，從而保證由金屬 線應(yīng)力變化引起的硅應(yīng)力變化能對阻值的影響最大。例如，一單晶硅襯底的主面為W01]晶面，即與晶向(001)所垂直的平面，并采用P 型電阻31、33、35、37。電阻31、33、35、37互相平行，而且用米勒指數(shù)標(biāo)記為沿(110)方向。 電阻35和37上放置的金屬線可為縱向或者橫向。如用N型電阻，電阻31、33、35、37的方 向則皆選為與方向(110)成45°角。圖5為測量集成電路芯片襯底溫度器件的另一實施例的頂視圖。與圖4中器件相 似，該器件包括一個由四個電阻41、43、45、47組成的惠特斯通橋。在此例中，電阻41、43、 45、47為相同的方形(頂視圖)。每個電阻皆由圖3A和;3B所述的金屬線陣列覆蓋。相對 電阻41和43由橫向金屬線陣列覆蓋。相對電阻45和47由縱向線陣列覆蓋。
電阻41和43阻值隨襯底溫度改變的變化與電阻45和47阻值的變化幅度相同， 但方向相反。因此，溫度變化所造成的橋的不平衡值的變化，比圖4中橋中只有兩個電阻有金 屬線陣列覆蓋的情形要大。例如，當(dāng)襯底溫度從25°C升高到100°C時，可以測到輸出電壓 Vout的變化約為15%到25%。采用具有惠特斯通橋的器件來測量芯片襯底溫度的優(yōu)點就在于，其可以進行精確 的測量，而基本上與生產(chǎn)工藝的誤差無關(guān)。實際上，惠特斯通橋的四個電阻是在半導(dǎo)體晶圓 上的同一局部區(qū)域同時制成的。因此可以認為，對于同一橋上的四個電阻，可以忽略生產(chǎn)離 差。因此，雖然不同橋之間的阻值會存在不同，但不平衡值Vot在同一溫度下基本上是一樣 的。該器件的另一優(yōu)點就是，其不需要在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝上添加任何額外的步驟即可制成。此處描述了本發(fā)明的幾個特別實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以進行各種變 化、改動和改進。特別的，以上描述中提到了用銅或鋁的金屬線來覆蓋電阻。本發(fā)明并不局限于這 些特定的金屬。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員有能力采用任何合適的金屬來實施，只要該金屬的 熱膨脹系數(shù)與襯底的不同。而且，上述還相對襯底晶向，給出了用米勒指數(shù)標(biāo)識的電阻和其上金屬線的方向 的范例。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于這些特定的范例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員有能力選用其它 合適的方向。與此類似，圖2A、2B、3A、;3B中所述的例子，即電阻包含在輕摻雜N型襯底中制成的 P型摻雜區(qū)域。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員有能力通過反轉(zhuǎn)導(dǎo)電類型來實施。本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員有能力為電阻和金屬線選擇合適的方向。該方法也可以用于其它電阻結(jié)構(gòu)。而且，此處所述器件中的金屬線陣列由集成電路芯片中的第一層金屬制成。該金 屬線當(dāng)然可以用其它層制得，比如說第一個通孔層。但是，金屬線離電阻區(qū)越近，器件對溫 度變化越靈敏。權(quán)利要求
1.一種用來檢測集成電路芯片襯底溫度變化的器件，其包括，襯底中的注入電阻(31， 33，35，37 ；41，43，45，47)，該注入電阻連接成惠特斯通橋，其中該橋中兩個第一相對的電阻 (35,37 ；45,47)中的每一個由與第一方向平行的金屬線陣列Ql)所覆蓋，該第一方向定義 為，襯底應(yīng)力沿此方向的變化會導(dǎo)致該橋中不平衡值(Vott)的變化。
2.如權(quán)利要求1中的器件，其中橋中兩個第二相對的電阻Gl，43)中的每一個由與第 二方向平行的金屬線陣列所覆蓋，該第二方向垂直于第一方向。
3.如權(quán)利要求1中的器件，其中兩個第一相對的電阻(35，37)具有頂視圖為平行的長 方條的形狀，金屬線沿所述條的長度方向延伸。
4.如權(quán)利要求2中的器件，其中注入電阻01，43，45，47)具有頂視圖為正方形的形狀。
5.如權(quán)利要求1中的器件，其中注入電阻包含在第二導(dǎo)電類型區(qū)域中所制成的第一導(dǎo) 電類型的摻雜區(qū)域。
6.如權(quán)利要求1中的器件，其中金屬線由銅制成。
7.如權(quán)利要求1中的器件，其中金屬線由鋁制成。
全文摘要
一種用來檢測集成電路芯片襯底溫度變化的器件，其包括，在襯底中用注入電阻連接成的惠特斯通橋，其中該橋中兩個第一相對的電阻各由與第一方向平行的金屬線陣列所覆蓋，該第一方向定義為，襯底應(yīng)力沿此方向的變化會導(dǎo)致橋中不平衡值的變化。
文檔編號G01K7/16GK102042882SQ201010504538
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月2日
發(fā)明者克里斯蒂安·里弗羅 申請人:意法半導(dǎo)體(胡希)公司