用于监测温度的热传感器、传感器设备和方法

摘要

提供一种用于集成电路(IC)的紧凑型电阻式热传感器，其中不同的传感器组件被放置在该IC的不同层上。在有利的实施方式中，将多个第一线性导电构件以相互间平行间隔开的关系定位于第一IC层中。类似地，将多个第二线性导电构件以相互间平行间隔开的关系，并以与第一线性构件正交的关系或与第二IC层中现存布线通道平行的关系定位于第二IC层上。导电元件分别将第一线性构件连接成第一导电路径，以及将第二线性构件连接成第二导电路径。在第一和第二层之间延伸的第三导电元件将第一和第二导电路径连接成单个连续导电路径，其中该路径具有随温度变化的电阻。响应于通过该连续路径传送的电流的装置从该路径电阻确定路径的温度。

说明书

技术领域

此处公开和要求保护的本发明一般涉及紧凑型热传感器设备，用于监测集成电路(IC)或其他半导体封装中的温度。具体地，本发明涉及上述类型的包括两个或更多组件的传感器设备，其中每个组件位于IC的不同层上。更具体地，本发明涉及一种上述类型的传感器设备，其中用于与热传感器不相关的IC功能的布线通道可以很容易地被布线(route)通过传感器组件中的任何组件。

背景技术

通常，监测诸如微处理器之类的集成电路的内部温度是很重要的。典型地，用于集成电路的模拟热传感器包括足量长度和固定宽度的金属线路或布线。从传感器布线的设计长度和为此所用材料的电阻率而言，可以通过使已知电流通过该布线并测量其电压而很容易地测量该传感器布线的整体电阻。此外，选择一种材料用于传感器布线，其中该材料的电阻在指定温度范围内将作为温度的线性函数而变化。根据电阻和温度之间的线性关系，可以相对容易地从所测得的传感器电阻来确定邻近该传感器的温度，并且还预测电阻相对于温度的其他相应值。通过用作传感器布线的金属的物理特性，以及通过布线传感器的横截面和长度，初步地确定温度测量的准确度和灵敏度。传感器布线横截面的变化由布线制造工艺中的变化来指定。

过去，上述类型的布线热传感器通常通过以蜿蜒图案或配置在IC的单个金属层或级上放置整个布线来构建。ESD二极管放置在传感器布线的任一端，以保护IC半导体免受高电压瞬变的损坏。如下文所述，图1中示出了此类现有技术的布置。然而，该布置具有若干缺陷。当仅仅被构建在IC的单个层上时，蜿蜒线路较长的长度导致大量的层区域被用作传感器电路。因此，传感器配置会显著地减少该层上的布线通道，并且从而，传感器不会是所测量的电路的整体部分。

此外，能够将温度传感器定位于IC中的任何期望位置经常是很有利的。例如，由于基本的功率损耗，需要关注在特定IC位置所形成的热点。然而，由于当前可用传感器的限制，可能很难将其中一个此类传感器放置于该特定位置来监测位置温度。

在上述类型的现有技术热传感器中，存在冲突的要求在于，传感器布线需要足够窄以提供足够的整体电阻，但该布线仍然必须足够宽以使传感器自身并不发热。而且，窄宽度线路或布线的使用使得传感器更易受到布线制造工艺中变化的影响，因为工艺变化趋向于在平均数值周围发生若干百分比的变化。当前，对于此类传感器来说，存在一个最佳的电阻范围。如果该数值太高，则无法通过可用的测量工具来测量该数值。如果该电阻太低，则其变得过于迟钝。工艺变化限制了该设计能够在多大程度上接近最佳电阻范围的上侧。

期望提供一种用于集成电路的热传感器，其可以克服现有技术中所发现的上述问题以及缺点。

发明内容

如下文所述，本发明针对用于集成电路或其他多层化结构的紧凑型热传感器，其中通过在IC或其他结构的两个或更多不同金属层上放置传感器的不同组件来克服现有技术的上述类型的问题。这允许选择性地减少任何特定层上传感器电阻布线所需的横向区域。此外，允许与该传感器不相关的其他布线穿过给定IC层上的传感器组件，并且可以横向地屏蔽这样的布线。从而，上述配置提供了用于IC的热传感器，其显著增加了该IC中的空间利用。

在本发明一个有利的实施方式中，第一导电迹线位于多个层中的第一金属层中。第二导电迹线位于该多个层中的第二金属层中，其中该多个层中的至少一个非导电层位于第一金属层和第二金属层之间。电连接器被提供为将该第一导电迹线和该第二导电迹线互相连接以形成热传感器。

在又一实施方式中，该第一和第二导电迹线分别包括第一和第二线性导电构件。第一和第二层中的至少一个层中形成有一个或多个通道，每个通道被放置于其中形成有通道的层的线性导电构件之间，每个通道被设置为容纳与其中驻留有传感器的IC或其他结构的功能有关的导体。有利的是，至少一个通道被设置为容纳包括用于承载信息的一个或多个布线以及用于屏蔽信息承载布线的一个或多个附加布线的导体。在有利的布置中，多个第二线性导电构件以与第一线性导电构件正交的关系排列。

在另一有利的布置中，电连接器包括第一和第二导电元件，其中每个第一导电元件包括位于第二层中的第一端部连接器以及两个关联的过孔链接。类似地，每个第二导电元件包括位于第一层中的第二端部连接器和两个关联的过孔链接。

在再一实施方式中，每个第一端部连接器被放置到位于第二层中的两个阵列中的一个阵列中，其中，第二线性构件分别位于第一端部连接器的两个阵列之间。类似地，每个第二端部连接器被放置到位于第一层中的两个阵列中的一个阵列中，第一线性构件分别位于第二端部连接器的两个阵列之间。热传感器可以有利地与一个或多个传感器电路串联连接，以使得能够测量关联结构的关键电路的温度，其中每个所述的传感器电路基本上与所述热传感器类似。该热传感器还可以具有在指定温度范围内随着周围温度变化而线性变化的电阻。

附图说明

图1是示出了用于IC的现有技术热传感器的俯视图。

图2是示出了使用图1的现有技术热传感器的电路的示意图。

图3和图4是分别示出了用于本发明实施方式的组件的俯视图，其中每个组件位于集成电路(IC)的不同金属层中。

图5是示出了根据本发明实施方式的图3和图4的组件结合起来形成完整的热传感器的俯视图，其中组件之间的IC层已经被移除。

图6是沿图5中的线6-6所取的端视图，其中在组件之间插入了IC层。

图7是一起示出了图3的组件以及与图5的热传感器不相关的导体和导体通道的俯视图。

图8是示出了本发明实施方式一般形式的电路图。

具体实施方式

参考图1，其示出了形成于IC半导体的金属层102上的上述类型的现有技术热电阻传感器，其中IC半导体没有另行示出。传感器100包括由导电金属形成的连续布线或线路104。这里，术语“布线”、“线路”和“迹线”可相互交换地使用，以表示在IC的金属层其中之一上形成的窄导电路径。

如上所述，布线104必须具有足量长度以便具有足够高的电阻以可用于确定传感器100周围的温度。因此，为了提供足够的布线长度，布线104以蜿蜒图案放置在层102上，如图1所示以及如上所述。该图案包括若干较大的回路(loop)104a、104b以及104c，其中较大布线回路中的每一个包括多个较小或较紧密的布线回路104d。如上所述，传感器布线104必须足够窄以在其长度上具有足够的电阻，但是还必须足够宽以使其不会被其所承载的电流加热。当然，如果热传感器的操作将热量添加到所监测的IC，那么将会使温度测量失真。

图1进一步示出了具有输入端和输出端的布线104，所述输入端和输出端分别通过输入焊盘106和输出焊盘108连接至静电(ESD)二极管110和112以保护该IC免受高电压瞬变的损坏。从图1中可以很容易地理解，图1中的蜿蜒布置趋向于作为一种屏障，用于防止与IC的其他电路关联的导体或导电路径被放置在层102中。这样的导体可能必须布线至其他层，以到达现有技术热传感器100的周围。

图2示出了用于电压源(V_dd)和接地连接(G_nd)之间连接的热传感器100的二极管110和112。

参考图3，示出了用于热传感器的电阻器组件300，其中根据本发明，将该组件300形成在集成电路(IC)的金属层302上。例如，层302可以包括关联IC的M2层。

类似地，图4示出了用于该热传感器的电阻器组件400，该组件400形成在同一IC的金属层402上。层402可以包括该IC的M3层，从而其是IC的M2层302之下的下一金属层。非导电材料层，例如石英或选定的氧化物，位于金属层M2和M3之间。如下文所述，电阻器组件300和400连接在一起以形成包括本发明实施方式的完整的电阻式热传感器，以与关联的IC一起使用。

为了示意的目的，此处公开的本发明的实施方式示出为与集成电路一起使用。然而，需要着重指出的是，本发明绝不限于这种使用。相反，可以预期的是，本发明的实施方式可以用于实际中任何类型的包括交替的导电和非导电层的分层化或多层化结构中的热感测。除了集成电路之外，此类结构还可以包括但不限于衬底模块、分层芯片载体、卡以及印刷电路板。

再次参考图3，示出了包括多个窄线性布线或迹线304a-304k的电阻器组件300，其中每个布线或迹线由导电材料(例如M2金属)形成。这些线性迹线分别放置在层302上使得它们以相互间基本平行的关系来间隔开。图3示出了11条迹线304a-304k用于示意的目的，但本发明的其他实施方式可以使用不同数量的这种迹线。

图3进一步示出了在M2层302上形成的输入链接306，该输入链接306连接至线性迹线304a的一端。每一条迹线304a-304k的另一端连接至过孔链接308a或308b中的任意一个。过孔链接通过在IC中形成从M2层302向下延伸至M3层402的小孔而制成，从而该孔贯穿M2和M3之间的非导电层。每个这样的孔填充有导电材料以形成过孔链接308a或308b。

进一步参考图3，示出了分别形成在M2金属层302上的若干组端部连接器310a和310b。端部连接器310a和310b中的每一个包括用于形成线性迹线304a-304k的此类型导电材料的迹线，尽管连接器310a和310b中的每一个基本上比迹线304a-304k要宽。需要较宽的迹线来添加多个过孔，从而降低层之间的电阻。端部连接器310a分别以间隔开的关系定位于线性阵列312a中，其中线性阵列312a与线性迹线304a-304k中的每条迹线呈平行关系。类似地，连接器310b定位于线性阵列312b中，其中线性阵列312b与迹线304a-304k以及线性阵列312a呈平行关系。图3示出了定位于阵列312a和312b之间的线性迹线304a-304k中的每一条迹线。下文将描述端部连接器310a和310b的功能以及过孔链接308a和308b的功能。

通常，图4中所示的电阻器组件400与上述的电阻器组件300非常类似。因此，组件400包括相互间呈平行间隔关系的线性迹线404a-404k，每条迹线404a-404k基本上与组件300的迹线304a-304k相同。此外，电阻器组件400形成在M3金属层402上，从而它的元件位于电阻器组件300的元件正下方。这允许组件300和400的某些元件配对或相互间连接，如下文所述。然而，需要理解的是，各线性迹线404a-404k被放置在M3层402上，使得它们中的每一条迹线以与M2层302上的迹线304a-304k中的每一条迹线正交的关系来定向。

进一步需要理解的是，在本发明的其他实施方式中，迹线404a-404k相对于迹线304-304k可以具有不同的取向。例如迹线404a-404k可以与迹线304a-304k呈平行关系，或者可以与其成任意指定角度。

进一步参考图4，示出了在M3层402上形成的连接至线性迹线404一端的输出链接406。每一条迹线404a-404k的另一端连接至过孔链接408a或408b，此二者与上述的过孔链接308a和308b类似或相同。因此，每个过孔链接408a和408b包括少量导电材料，这些导电材料填充了从层402向上延伸至层302的孔。更具体来说，来自两条相邻迹线404a-404k的两个过孔链接408a从层402向上延伸至与端部连接器310a的每个电接触。例如，从迹线404b和404c延伸的过孔链接408a均与如图3所示的阵列312a的最上方的端部连接器310a接触。因此，如图4所示，线性迹线404b和404c在它们的左侧端部处连接在一起。类似地，线性迹线404a和404b的过孔链接408b均与如图3所示的阵列312b的最上方的端部连接器310b接触。如图4所示，从而迹线404a和404b在它们的右侧端部处连接在一起。通常，如图4所示，过孔链接408a和408b以及端部连接器310a和310b共同用于将线性迹线404a-404k连接成连续的电路径，该电路径从输出链接406延伸到连接至线性迹线404k右侧端部的端部连接器310b。此类端部连接器在图3中更具体地作为端部连接器310b’来参考，以增强识别。

图4进一步示出了分别形成在M3金属层402上的若干组端部连接器410a和410b。该端部连接器410a和410b在构造和操作上与上述的端部连接器310a和310b非常类似。连接器410a和410b分别定位于线性阵列412a和412b中。阵列412a和412b与线性迹线404a-404k呈平行间隔开的关系，其中该线性迹线定位于两个阵列412a和412b之间。

需要理解的是，端部连接器410a中的每一个被定位成将从M2层向下延伸的过孔链接308a(如上所述)中的两个接合起来以在它们之间建立电接触。例如，如图4所示，线性迹线304b和304c的过孔链接308a均与阵列412a的最左边的端部连接器410a接触。因此，如图3所示，线性迹线304a和304c在它们的上侧端点处连接在一起。类似地，如图4所示，线性迹线304a和304b的过孔链接308b均与阵列412b的最左边的端部连接器410b接触。如图3所述，从而迹线304a和304b在它们的下部端点处连接在一起。更一般地，如图3所示，过孔链接308a和308b以及端部连接器410a和410b共同用于将线性迹线304a-304k连接成连续的电路径，该电路径从输入链接306延伸到连接至迹线304k的下端部的端部连接器410b。此类端部连接器在图4中更具体地作为410b’来参考，以增强识别。

参考图5，示出了定位于组件400上方的电阻器组件300，其中M2层302和非导电层被移除。因此，图5示出了电阻器组件300的从输入链接306延伸至端点链接器410b’的连续电路径，以及电阻器400的从端部连接器310b’延伸至输出链接406的连续电路径。可以看到，通过在端部连接器310b’和410b’之间提供电连接，可以很容易地将两个组件300和400连接以形成具有电阻的单个导电路径。

图6示出了在层302中的端部连接器310b’和层402中的端部连接器410b’之间延伸的过孔链接602，从而建立期望的链接。过孔链接602与上述过孔链接308a和308b以及408a和408b基本相同。图6是图5中所示电阻器组件300和400的侧视图，其中M2层302和非导电层604插入在两个组件之间。因此，可以看到，过孔链接602在端部连接器310b’和410b’之间延伸通过这些层。

图6进一步示出了借助过孔链接308b连接至各个端部连接器410b的线性迹线304a-304k。图6描述了通过过孔链接408a连接至端部连接器310a的迹线404k，并且还示出了输入链接306和输出链接406。

参考图7，示出了上述的传感器电阻组件300，其中在M2层302中已形成线性通道702。更具体来说，通道702已形成在线性迹线304h和304i之间，并与它们呈平行关系。通道702为连接为承载针对IC电路或功能的信号信息的布线或导电迹线704提供通路，其中该电路或功能与组件300的热传感器不相关。图7进一步示出了在通道702中包含的屏蔽布线706，以屏蔽布线704免遭周围的干扰。因此，图7图示了本发明的显著优点在于其实施方式可以很容易地适用于避免阻断信号路径以及对其他IC操作所需信息的路由。

参考图8，示出了本发明的一般实施方式。如上所述，分别位于层M2和M3上的电阻器组件(例如300和400)可以连接在一起从而形成完整的热传感器。此外，用于此传感器的其他电阻器组件，例如组件802-806，可以位于多层化IC的其他层上，并且可以与组件300和400串联地互连。在一种布置中，在n个金属层上放置的组件可以在电阻器组件(例如300)以及正交的电阻器组件(例如400)之间交替。在可选的布置中，相邻层上的电阻器组件可以具有以相互间平行的关系或以任何选定角度排列的线性迹线，而不是呈正交关系。在又一布置中，不同的层可以有具有不同数量的线性迹线的电阻器，或在迹线之间可以具有不同的间隔。

因此，本发明的实施方式可以很容易地适用于满足多种要求。例如，对于相同的电阻值，可以使传感器布线更长和更宽，从而使得该传感器布线较少受到其自身变热的影响。由于布线通道不再被阻断，因此传感器电路可以与一个或多个类似的温度敏感宏(macro)集成，其中所述温度敏感宏(macro)通过菊链方式(daisy-chained)连接在一起或串联连接，从而可以测量关键电路的温度。由于金属的使用在一个层上可能比另一个层上更密集，因此本发明的热传感器可适用于避免对高度利用层的使用，而不会影响整体传感器电阻器的链接。

进一步参考图8，示出了用于一般性热传感器实施方式的电路的附加元件。ESD二极管808和810分别连接至传感器输入和输出。二极管808和810分别耦合在电压源(V_dd)和接地(G_nd)之间。

为了示意和描述的目的，已经给出了对本发明的描述，该描述的意图不在于以所公开的形式来穷尽或限制本发明。对于本领域普通技术人员来说，很多修改和变化将是明显的。选择和描述实施方式，以便最佳地解释本发明的原理和实际应用，并使得其他本领域普通技术人员能够就具有适于构思的特定使用的各种修改的各种实施方式来理解本发明。