(57)【要約】  本発明は、熱源に隣接して配置された温熱側（Ｔｈ）と、冷熱側（Ｔｃ）とを含み、温熱側と冷熱側との間の温度差に依存する信号（Ｕ）を出力する、半導体技術を用いた集積化された熱電装置に関する。温熱側および冷熱側は、熱源の温度が変化する際に、換言すると、センサが劣悪な動作条件を有する場合に、それらの温度が等しくなり易いように配置される。測定回路は、熱源の温度が変化した時刻（ｔ０）からの、信号の連続的に可変の部分（ｔ０−ｔ１）に応じて、有用な情報を生成する。熱源の温度が変化を止めた場合には、温熱側および冷熱側の温度が等しくなり、且つ、信号はキャンセルされ、そして、変化を止める。温熱側と冷熱側との間の距離は、１００μｍ未満とすることができる。
2013501354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源（１６）に近接して配置された温熱側（Ｔｈ）と、冷熱側（Ｔｃ）とを備え、且つ、前記温熱側と前記冷熱側との間の温度差に従って、信号（Ｕ）を供給する、半導体技術で集積化された熱電装置であって、
前記温熱側および前記冷熱側は、熱源の温度が変化する際に、前記温熱側の温度と前記冷熱側の温度とが等しくなり易いように、配置される、ことを特徴とする熱電装置。
【請求項２】
前記熱源の温度が変化した時刻からの、前記信号の連続的に可変の部分（ｔ０−ｔ１）に従って、有用な情報を供給する測定回路を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項３】
前記温熱側と前記冷熱側との間の距離は、１００μｍ未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項４】
前記温熱側は、前記半導体技術の相互接続レベルで作られた熱ブリッジ（３６）によって、前記熱源に結合される、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項５】
絶縁体（３４）上に作製される、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項６】
複数の相互接続レベル（Ｍ１−Ｍ７）を提供し、且つ、レベル毎に金属の最少比率を必要とする、技術において作られており、
前記温熱側から開始して、前記冷熱側に向かうセンサの面から遠ざかる、ステップ構造（４０）を備え、
前記ステップ構造のステップは、連続する相互接続レベルにおいて金属で作られる、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項７】
前記ステップは、レベル毎の最少金属比率要件を満たすことを可能にする、最小寸法により実現される、ことを特徴とする請求項６に記載の熱電装置。
【請求項８】
外部からアクセス可能なストリップに前記冷熱側を接続する、熱ブリッジ（３８）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項９】
前記熱源は、チョップモード（chopped mode）で動作するトランジスタである、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１０】
前記熱ブリッジ（３６，３８）は、前記装置と電気的に接触せずに、前記装置の一端の周りに配置されるビアを備える、ことを特徴とする請求項４または８に記載の熱電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体技術における集積化された熱電装置に関し、特に、ゼーベック効果装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日では、数多くの集積回路が、回路の熱上昇に関する情報を提供する埋め込み熱センサを含んでいる。センサの温度が閾値に達した場合に、電力管理回路が、例えば、機能を止める、クロックを遅らせる、またはファンをトリガする、ことが可能である。
【０００３】
現在、集積回路で用いられる熱センサは、通常、順方向バイアスがかかったｐｎ接合の形態である。ダイオードの端子の電圧は、接合の温度を示す。
【０００４】
このようなセンサは、約２０μＡの永久電流を消費し、何より、閾値温度（＋／−２０℃で推定される温度）に関してそれほど精密ではない、という欠点を呈する。これらのセンサは、現在、携帯型装置に一般的に用いられているが、より高速な機能または新しい機能の組み込みに関連して、ハウジング内で増加し続ける電力消失のために、これらのセンサの使用の限界が、現れ始めている。
【０００５】
ゼーベック効果センサと呼ばれる、より正確で、且つ、電流を消費しない自律センサが存在する。これらは、“熱電対”の名前でも知られている。これらの熱センサは、差分的であり、且つ、冷熱源と温熱源とが同時に利用可能であることを必要とする。
【０００６】
図１は、Ｔｈｅｒｍｉｎｉｃ  ２００５  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅにおいて、エデュアルド・アルドレーテ−ビドリオ（Eduardo Aldrete-Vidrio）、ディエゴ・マテオ（Diego Mateo）、およびジョセップ・アルテ（Josep Altet）により発表された“０．３５μｍＣＭＯＳ技術における温度差センサ（Differential Temperature Sensors in 0.35 μm CMOS Technology）”と題された論文に述べられるような、ＣＭＯＳ技術におけるゼーベック効果を有する集積差分センサを表す。
【０００７】
複数の並列導電バーが、シリコン基板に形成されていた。これらのバーの一端が、冷熱源（左側）のレベルに位置し、他端が、温熱源（右側）のレベルに位置する。バーは、金属被覆１０によって、電気的に直列接続される。奇数ランク１２のバーおよび偶数ランク１４のバーは、異なる性質のものであり、一方は、多結晶シリコン“ｐｏｌｙ１”から作られ、他方は、多結晶シリコン“ｐｏｌｙ２”から作られるか、または、基板へのｐ＋注入により形成される。よって、複数の熱電対は、センサの感度を増加させるために直列接続された、金属被覆１０のレベルで形成されている。この配置は、“サーモパイル”とも呼ばれる。
【０００８】
サーモパイルの長さは、約５００μｍであり、サーモパイルの幅は、約１６μｍである。
【０００９】
測定回路１５に供給される、センサの端子の電圧Ｕは、温熱源側に位置する熱電対と冷熱源側に位置する熱電対（簡潔さのために、以下、センサの温熱側および冷熱側と呼ぶ）との間の温度差に比例する。比例係数は、それ自体が、熱電対の数と、バーに用いられる材料の対のゼーベック係数と、に比例する。
【００１０】
図２は、温熱源により消失した理想電力ステップＰに応じた、サーモパイルの温熱側温度Ｔｈの一時的変化の例を表す。
【００１１】
温度Ｔｈは、漸進的に増加し、且つ、熱力学的平衡に対応する温度値に、漸近的に向かっていく。増加の速度は、電力と、温熱源の熱容量と、に依存する。最大値は、電力と、温熱源が熱を除く容量と、に依存する。
【００１２】
冷熱側の温度Ｔｃが、変化しない場合には、センサの端子の電圧が、温熱源の温度Ｔｈの温度変化を直接示す。
【００１３】
上述の論文は、この種のセンサを、チップ上の機能ユニットの熱的挙動の特徴の文脈で述べており、且つ、これを、熱的な特徴化のために設けられた一連の回路に集積することを提案している。センサのサイズ（約８，０００μｍ２）により、センサは、約１５０，０００μｍ２の典型的なサイズを有する温熱源（パワートランジスタ）を有する商用の集積回路内で、そのまま使用することができない（センサは、パワートランジスタの表面の５％を占める）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
何れも正確であり、低消費電力であり、且つ、商用の集積回路での使用に適したサイズを有する、熱センサに対する要求が認められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この要件を満たすために、半導体技術における集積化された熱電装置は、特に、熱源に近接して配置された温熱側と、冷熱側とを備えて提供され、温熱側と冷熱側との間の温度差に従って信号を供給する。温熱側および冷熱側は、熱源の温度が変化する際に、すなわち、センサが悪い動作条件にある際に、それらの温度が等しくなり易いように、配置されている。測定回路が、熱源の温度が変化した時刻からの、信号の連続的に可変の部分に従って、有用な情報を供給する。熱源の温度が、変化を止めた場合には、温熱側の温度および冷熱側の温度は、最終的には等しくなり、且つ、信号は無効となり、そして、変化を止める。温熱側と冷熱側との間の距離は、１００μｍ未満とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
他の利点および特徴は、単に非限定の例示目的で与えられ、添付の図面によって示される、以下の特定の実施形態の説明から、より明らかとなるであろう。
【００１７】
【図１】上述の、ＣＭＯＳ技術におけるゼーベック効果を有する、従来の集積差分熱センサを表す図。
【図２】上述の、好ましい状況における電力ステップに応じた、図１のタイプのセンサにおける温度の一時的な変化を表す図。
【図３】冷熱側Ｔｃが固定されているとみなされない場合の、電力ステップに応じた、図１のタイプのセンサにおける温度および電圧の一時的な変化を表す図。
【図４ａ】３つの特定の動作モードでの、小型の差分熱センサにおける温度および電圧の一時的な変化を表す図。
【図４ｂ】３つの特定の動作モードでの、小型の差分熱センサにおける温度および電圧の一時的な変化を表す図。
【図４ｃ】３つの特定の動作モードでの、小型の差分熱センサにおける温度および電圧の一時的な変化を表す図。
【図５】集積回路に配置されて、ＭＯＳパワートランジスタの温度を測定する、小型の差分熱センサを表す図。
【図６】小型の差分熱センサに適用可能な、様々な最適化を表す図。
【図７】小型の差分熱センサの特定の例において測定された、温度および電圧の変化を表す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ゼーベック効果熱センサ、すなわち、差分センサの利点から利益を得るために、商用の集積回路において、その全体的なサイズを減少させることが望ましい。当該技術の寸法と、接合の数と、によって決定され得るセンサの幅が、必要とされる感度を達成可能にし、唯一の自由は、センサの長さに見出されるべきである。現在の技術では、この長さは、１００μｍ未満、好ましくは５０μｍであることが必要とされ、それはすなわち、図１に関して説明された従来のセンサの長さの５分の１〜１０分の１である。
【００１９】
しかし、センサの長さを短くすることは、温熱源および冷熱源が、互いに近くに位置することを意味するが、これは、これまで解決できなかった欠点を引き起こす。
【００２０】
図３は、不利な状況（非恒温の冷熱側温度Ｔｃ）において、温熱源に印加された電力ステップＰに応じた、図１の種類のゼーベック効果熱センサの端子の温度および電圧Ｕの変化の例を表す。このような状況は、センサの長さを短くするほど、いっそう不利になる。
【００２１】
温熱側温度Ｔｈは、図２のように変化する。しかし、温熱源のレベルで生成される熱は、伝導により冷熱源に伝達され、冷熱側温度Ｔｃは、センサの長さと、温熱源と冷熱源との間の材料の熱特性と、に応じた特定のタイムラグを伴って、時刻ｔ１から上昇し始める。温度Ｔｃの増加は、温度Ｔｈの増加よりも遅いが、それは、温熱源の熱が、温熱源の周りで拡散し、且つ、ごく一部のみが、冷熱源に拡散するからである。温度Ｔｃは、冷熱源の熱除去能力に応じて、漸近的に熱力学的平衡温度へと向かうが、この温度は、表される最悪のケースでは、Ｔｈの最大値に等しい。
【００２２】
時刻ｔ１まで、センサの端子の電圧Ｕは、温度Ｔｈの変化に従う。温度Ｔｃが増加を始める時刻ｔ１から、電圧Ｕは、温度Ｔｃが温度Ｔｈに近づくにつれて、０に向かって漸進的に減少し始める。現在の技術で集積化される約５０μｍのセンサ長さでは、電圧Ｕのこのパルスの持続期間は、約数マイクロ秒である。それゆえに、センサは、数マイクロ秒後に動作不能となり、且つ、最新の技術で基準とされる測定を行うことができない。
【００２３】
実際には、集積回路の機能ユニットに対応する領域の加熱現象が、より詳しく分析されれば、この領域の安定条件下の温度は、領域を加熱する個別装置、特に機能ユニットを構成するパワートランジスタの平均温度において確立されることを、観測することができる。これらのパワートランジスタは、通常、チョップモード（chopped mode）で動作し、すなわち、パワートランジスタは、それぞれ、加熱フェーズおよび冷却フェーズに対応するターンオンおよびターンオフフェーズを、高い頻度で交互に呈する。領域の平均温度が、一定であっても、パワートランジスタのレベルの温度は、チョッピング周波数で知覚可能に変化することが分かる。
【００２４】
よって、小さなサイズの差分センサを使用可能とするために、温度増加に関与するか、または、測定を必要とする温度増加を有する、パワートランジスタにごく近接して、その温熱側が配置される。冷熱側は、より大きな熱イナーシャから利益を得るために、トランジスタから離して、好ましくは、他のパワートランジスタに影響されない領域であって、且つ、可能であれば、回路の導電グランド面に接続されたグランドコネクタに近い領域に、配置される。次いで、安定した条件下で連続する温度差を測定する代わりに、温度差の一時的振幅が測定される。
【００２５】
図４ａは、チョッピングターンオンフェーズが、トランジスタのターンオン後に温度Ｔｃおよび温度Ｔｈが同じレベルに達するまでに要した時間にほぼ等しい場合の、温熱側温度Ｔｈの変化、冷熱側温度Ｔｃの変化、およびセンサの端子での対応する電圧Ｕの変化の例を表す。
【００２６】
時刻ｔ０において、トランジスタはターンオンされるが、これは、電力ステップＰの印加に対応する。温度Ｔｈ、温度Ｔｃ、および電圧Ｕは、領域の平均温度に対応する平衡温度Ｔ０から開始して、図３のように変化する。
【００２７】
最大値にある温度Ｔｈに、温度Ｔｃが加わり、且つ、電圧Ｕが０に降下した直後の、時刻ｔ２において、トランジスタがターンオフされる。温度Ｔｈについては瞬時に、温度Ｔｃについてはトランジスタのターンオンフェーズと同じタイムラグを有して、温度Ｔｈおよび温度Ｔｃの傾向が反転する。
【００２８】
電圧Ｕは、交互に、正および負の一連のパルスを呈するが、パルスのピーク値は、トランジスタの加熱条件を決定するために容易に測定することができる。電圧Ｕのピーク値は、トランジスタによって得られる温度増加を直接示すことはないが、それは、冷熱源の温度増加を、これに加える必要があるためである。それにもかかわらず、このピーク値は、経時的な温度差（Ｔｈ−Ｔｃ）の変化を表している。
【００２９】
ターンオンフェーズの終わりでのトランジスタの温度増加を知ることが要求される場合には、温度増加は、各スイッチングフェーズの始まりでの電圧Ｕの曲線から外挿することができるが、それは、冷熱側温度Ｔｃが、著しく変化し始めていない（時刻ｔ１）限り、電圧Ｕは、温熱側温度Ｔｈの変化を直接表すからである。このような外挿のための必要条件に関して、信号Ｕがそのピーク値に達することにより、時刻ｔ１は、信号Ｕ上で識別可能になる。
【００３０】
チョッピング周波数が減少する場合には、電圧Ｕのパルスは、ほぼ同じ振幅およびアスペクトを有するが、さらに間隔が離れるであろう。
【００３１】
図４ｂは、チョッピング周波数が、図４ａの場合よりも高い状況を表している。トランジスタがオフになる時刻ｔ２において、温度Ｔｈおよび温度Ｔｃは、いずれも、その最大値に達していない。温熱側温度Ｔｈは、直ちに減少し始め、最初の温度Ｔ０に漸近的に向かう。一方、温度Ｔｈの変化に対するタイムラグに反応する、冷熱側温度Ｔｃは、タイムラグ期間中に増加し続け、次いで、減少し始め、最初の温度に漸近的に向かう。変化は、数開始サイクルの後で、周期的になる。
【００３２】
電圧Ｕは、温度Ｔｈと温度Ｔｃとの差に比例するが、対称的な代わりの態様を呈する。信号のピーク値は、図４ａのピーク値よりも低いことが、観測できる。図４ａの状況からチョッピング周波数が増加する場合には、ピーク値は減少するが、これは、その寸法およびシステムの熱イナーシャを考慮に入れると、センサが観測しやすい最大チョッピング周波数限界を示している。観察されるべきトランジスタは、むしろ図４ａの条件の下、または、より低いチョッピング周波数で、動作する。
【００３３】
図４ｃは、チョッピング衝撃係数が１に近い状況を表している。トランジスタのターンオンフェーズは、図４ａのターンオンフェーズに対応する、すなわち、温度Ｔｈおよび温度Ｔｃが最大値に達するために十分に長い。トランジスタのターンオフフェーズは、冷熱側温度Ｔｃの変化のタイムラグに近い。
【００３４】
時刻ｔ０で開始する第１のターンオンフェーズおよび時刻ｔ２で開始する第１のターンオフフェーズの間、温度Ｔｈ、温度Ｔｃ、および電圧Ｕは、図４ａのように変化する。
【００３５】
２回目のターンオンフェーズおよびその後のターンオンフェーズが発生する際に、冷熱側温度Ｔｃは、減少をまだ始めていない。これは、温度Ｔｈのみが、ターンオフフェーズの間に変化する、という結果をもたらす。
【００３６】
電圧Ｕは、非対称に変化する。これは、電圧Ｕが負の最大ピーク値を呈する、ターンオフフェーズの間の温度Ｔｈのみを表している。
【００３７】
上記の図４ａ〜図４ｃの説明において、最初の温度Ｔ０は、一定であると仮定している。これは、回路がその平均動作温度に達したという、安定した動作条件下のケースである。例えば、回路のパワーオンの際などの、一時的な条件下では、各ターンオンフェーズは、周囲温度からの温度Ｔ０の増加に寄与する。
【００３８】
ここに説明される差分熱センサは、トランジスタの絶対熱条件の直接的な決定には、適していない。しかし、多数の考え得る電力管理アプリケーションにおいて、温度変化を知ることは、傾向を推定し、且つ、これらの傾向を修正するために必要な対策を取るためには、十分ではない。例えば、電力削減を必要とする条件は、センサによって供給される電圧Ｕが、トランジスタの前のターンオンフェーズの間よりも速く増加する、または、ターンオンフェーズでの電圧Ｕの変化が、閾値を超える、という事実から検出することができる。
【００３９】
しかし、絶対熱条件を知る必要がある場合には、それらの絶対熱条件は、回路のパワーオン以降の電圧Ｕのピーク値の符号付き変化を蓄積することにより、推定することができる。この蓄積は、平均温度Ｔ０を表している。例えば、図４ａを参照すると、１回目のターンオンフェーズの間に、温度Ｔ０が増加する場合には、温度Ｔｈは、次のターンオンフェーズの間に、温度Ｔ０の新しい値に向かう。これは、このフェーズの間の電圧Ｕのピーク値は、前のフェーズのピーク値よりも絶対値が低いこと、および、これらのピーク値の（絶対値の）差が、温度Ｔ０の増加を表すことをもたらす。
【００４０】
より正確には、ピーク値の差を蓄積するよりも、漸近値の差を蓄積することができるが、漸近値の差を蓄積することは、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間で、各フェーズの開始時の電圧Ｕの曲線を外挿することにより計算される。
【００４１】
信号Ｕを用いた測定回路は、当業者の必要条件に従って当業者が設計することが可能である。測定回路は、傾向を外挿すべきである場合には、コンピュータと関連付けることができる。集積回路の他の機能、例えば電源管理を管理するために存在するマイクロコンピュータをプログラムして、必要な計算を行わせ、且つ、要求される動作を行わせることができる。
【００４２】
図５は、小型の差分熱センサを、熱動作条件を測定すべきＭＯＳパワートランジスタにごく近接して、集積化する例を表している。トランジスタは、線Ａの右側に位置し、センサは、左側に位置する。
【００４３】
集積回路は、Ｐ導電型のシリコン基板（Ｐウェル（ＰＷｅｌｌ））に作られる。Ｎ導電型のＭＯＳトランジスタは、従来の設計のものである。トランジスタは、多結晶シリコンゲート１８によって覆われるチャネル１６を備える。チャネルは、Ｎ＋領域２０および２２によって描かれている。Ｎ＋領域２２は、図示されるように、小さな厚さのＮ−“拡張”領域によって、チャネルに接続することができる。第１の相互接続レベルＭ１において作られる、コンタクト２４および２６は、ビアによってＮ＋領域２０および２２に接続されており、且つ、トランジスタのソース電極およびドレイン電極を構成する。
【００４４】
チャネル１６の下のＰ領域は、絶縁されたウェル（Ｐウェル  Ｉｓｏ）として構成される。このＰウェルは、埋め込まれたＮウェル（ＤＮＷ）および周囲のＮウェル（ＮＷｅｌｌ）によって、描かれている。相互接続レベルＭ１において作られる、コンタクト２８、３０、および３２は、コンタクトを、Ｐ＋領域、Ｎ＋領域、およびＰ＋領域によって、それぞれ、基板Ｐウェル、周囲のＮウェル、および絶縁されたＰウェル（Ｐウェル Ｉｓｏ）と接触できるようにする。これらの様々な領域は、シャロートレンチ絶縁体（ＳＴＩ：shallow trench isolator）によって、互いに絶縁されている。
【００４５】
線Ａの左側のセンサは、図１に関して説明されたサーモパイルを備える。センサの多結晶シリコンバー１２および１４は、基板に作られたシャロートレンチ絶縁体３４上に配置されている。この電気絶縁体は、また、基板とセンサとの間、および、センサの温熱側と冷熱側との間の、熱の伝達を制限する断熱材となることも分かっている。厚い酸化物または窒化物などの、他の絶縁体も考えられる。
【００４６】
図の左端にあるセンサの冷熱側は、好ましくは、連続する相互接続レベル（Ｍ１およびＭ２の２つのみがある）において、ビアおよび金属被覆の積層物により形成される熱ブリッジによって、チップの表面の金属ストリップ（図示せず）に結合される。このストリップは、コンタクトビードによって、ヒートシンクに接続することができる。その目的は、冷熱側を可能な限り一定の温度Ｔｃに維持するために、センサの冷熱側を、サーモスタットに理想的に熱結合することである。実際には、回路のグランド面に結合されたコンタクトビードは、センサでの測定に必要な時間に対して、良好な熱イナーシャを呈することができる。この熱イナーシャは、グランド面に熱ブレーキを作り、当業者によって達成できるように、制御グランド接続から電力グランド接続を分離することにより、強化することもできる。
【００４７】
熱抵抗を減少させるために、多数作られるビアは、バー１２および１４とは、電気的に何ら接続されない。ビアは、バーの端の周り全体で、絶縁体３４と接触して、熱を集める。専用のビアのみが、センサの出力コンタクトを、センサによって供給される電圧Ｕを動作回路に伝達する目的を果たす金属トラックに、接続する。
【００４８】
トランジスタが加熱する領域は、チャネル１６である。それゆえに、センサの温熱側は、このチャネルに可能な限り近くに配置する必要がある。しかし、図示されるように、このセンサの温熱側は、よくても、トランジスタの周囲に接触するようにしか配置できない。センサは、トランジスタを構成する要素と干渉してはならず、トランジスタは、ＭＯＳパワートランジスタの場合には、図示されるように、周辺から比較的遠くにチャネルを配置する。
【００４９】
チャネル１６とセンサの温熱側との間の熱伝達を改善するために、熱ブリッジ３６が、好ましくは、例えば相互接続レベルＭ２において、金属被覆の形態で設けられる。このブリッジは、一端がトランジスタのソース電極２４に接続され、他端がセンサの温熱側に接続される。接続は、ビアによって形成され、そして、該当する場合には、中間の相互接続レベル（センサ側のＭ１）の金属被覆によって、形成される。センサの冷熱側に関しては、熱ブリッジ３６のビアが、バー１２および１４の端の周りで、絶縁体ＳＴＩ３４と接触する。
【００５０】
熱ブリッジ３６が最適な効率を有するために、熱ブリッジ３６の幅（図の面に対し垂直の、不可視の寸法）が、センサ側ではサーモパイルの幅と等しくなり、トランジスタ側ではソース電極２４の幅と等しくなるように、選択される。
【００５１】
ブリッジ３６は、比較的大きな金属質量を形成し、それによって高い電気キャパシタンスを形成するので、トランジスタ側で、ほとんど電圧変化がないコンタクトに接続する必要がある。これは、通常、パワートランジスタのソースであるが、このソースは、供給電圧（Ｎ導電型トランジスタではグランド、Ｐ導電型トランジスタでは供給電圧源）に接続される。
【００５２】
現在のシリコン上の集積化技術では、各相互接続レベルにおける金属の量は、平坦化動作の後の適切な表面状態および均一な厚さを得るために、金属被覆間の隙間を埋める絶縁体に対して、最少の比率を守る必要がある。化学機械研磨（ＣＭＰ）の場合には、この比率は、約１０〜１５％である。この制約は、集積回路設計ツールに統合されているので、これらのツールは、そこで見出されるべき金属の比率が不十分な場合には、相互接続レベルの表面にわたって規則的に分布される、小さな金属バンプ（ダミーと呼ばれる）を、自動的に追加することになる。
【００５３】
図５に表されるセンサにおいて、ダミーは、センサの温熱側と冷熱側との間の各相互接続レベルに、不可避的に挿入される。これらのダミーは、熱抵抗を減少させ、且つ、温熱側によって冷熱側の加熱を強化する。これは、センサの長さを増加させて、抵抗サーマルの減少を補償する、という結果をもたらす。しかし、使用可能な結果は、約１００μｍの長さで得られる。
【００５４】
図６は、ＣＭＰ制約を考慮に入れて、長さを最適化できるようにする、熱センサの構造を表している。
【００５５】
この構造で用いられる１つの原理は、ＣＭＰ動作の技術的要件に従う最少の金属を、適切な方法で分布するので、センサの温熱側と冷熱側との間での熱伝達にとっては、不利なことである。使用される技術は、例えば、７つの相互接続レベルＭ１〜Ｍ７を備える。それゆえに、これらレベルのそれぞれで、金属の最少比率を守る必要がある。
【００５６】
センサの冷熱側には、図５に関して規定したように、ビアによって接続される、金属被覆３８の縦のスタックが設けられる。レベルＭ１の金属被覆は、センサのバー１２および１４の端の周りで、図５との関係で述べたように、これらのバーと電気的に接触することなく、絶縁体ＳＴＩ３４のビアによって接続される。これらの金属被覆の幅、すなわち、図の面に対して垂直のそれらの寸法は、センサを構成するサーモパイルの幅の程度である。
【００５７】
レベルＭ７の金属被覆は、好ましくは、ヒートシンクに直接接触して配置可能である、または、コンタクトビードによってプリント回路の金属ストリップに接続可能である、集積回路の外部からアクセス可能なコンタクトストリップに接続される。
【００５８】
センサの温熱側には、金属ステップを有する階段を形成するステップ構造４０が、連続する相互接続レベルＭ１〜Ｍ７に設けられている。第１の階段は、センサの温熱端の第１のレベルＭ１から開始し、冷熱側に進むチップの表面に向けて上向きに延びる。次の階段は、レベルＭ７で第１の階段が止まる箇所に対しほぼ垂直に、レベルＭ１で開始する。表される寸法では、この第２の階段は、レベルＭ６で止まり、冷熱側のスタック３８から離れた状態を維持する。
【００５９】
センサがより長い場合には、この第２の階段も、レベルＭ７で止まり、そして、第３の階段が、第２の階段の最後のステップに対して垂直に、レベルＭ１で開始し、以下、スタック３８に達するまで続く。
【００６０】
ステップは、レベル間でわずかに重なり、ビアにより接続可能である。レベルＭ１の第１のステップは、それらを下方向に接続するビアを備えていない。さらに、第１の階段の第１のステップは、熱ブリッジ３６と同じレベルＭ１で作られているが、熱ブリッジには接続されない。これらの階段は、実際には、好ましくは、集積回路の他の要素から、熱的且つ電気的に、絶縁される。
【００６１】
ステップの深さは、各レベルでの金属の比率が、必要とされる最小限（１０〜１５％）に等しくなるように、選択される。例として、６５ｎｍＣＭＯＳ技術では、レベルＭ６およびＭ７（金属がより厚い）のステップに対して、２．２μｍの深さを取ることができ、他のステップに対しては、１．６μｍの深さを取ることができる。第２の階段は、第１の階段の最後のステップの後に、１．２μｍから開始することができる。
【００６２】
階段の幅は、熱ブリッジ３６の幅と同様に、センサを構成するサーモパイルの幅の程度である。
【００６３】
ステップ構造４０は、センサの冷熱側から離れて、上向きの熱の伝播を促す熱そらせ板として作用する。金属のこの分布に起因して、約２０μｍの長さを有する使用可能なセンササーマルのみを、作製することができる。
【００６４】
図７は、温熱側の温度Ｔｈと、冷熱側の温度Ｔｃと、電力ステップに応じて図６のタイプのセンサのプロトタイプによって供給される電圧Ｕの変化と、を表している。センサのサーモパイルは、それぞれ、ｎ導電型およびｐ導電型で、２０μｍの長さを有する、２つの多結晶シリコンバーのみを備える。
【００６５】
電力ステップは、温度上昇の漸近的な値が、約５０Ｋとなるようになっている。温度Ｔｈは、実際には、１００μｓ後に、この値に達する。冷熱側温度Ｔｃは、ステップの開始の後に約６μｓのタイムラグを有して反応する。ステップの開始から６．２μｓ後には、４．９ｍＶの最大電圧Ｕが測定される。８つのバーを有するサーモパイルを用いることにより、この値は、４倍になるが、同時に、極めて小さな寸法を呈するセンサを提供する。バーの数、よってサーモパイルの接合の数は、センサ出力を用いた回路の感度と、必要とされる精度と、に応じて、選択されるべきである。
【図１】
2013501354.tif 000003
【図２】
2013501354.tif 000004
【図３】
2013501354.tif 000005
【図４ａ】
2013501354.tif 000006
【図４ｂ】
2013501354.tif 000007
【図４ｃ】
2013501354.tif 000008
【図５】
2013501354.tif 000009
【図６】
2013501354.tif 000010
【図７】
2013501354.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョップモードで動作するように構成された少なくとも１つのパワートランジスタを備え、且つ、加熱期間及び冷却期間を有する間欠熱源（１６）を形成する、機能ユニットと、
前記間欠熱源（１６）に近接して配置された温熱側（Ｔｈ）と、冷熱側（Ｔｃ）と、を備え、且つ、前記温熱側（Ｔｈ）と前記冷熱側（Ｔｃ）との間の温度差に従って、信号を供給する、熱電装置であって、前記温熱側および前記冷熱側は、前記間欠熱源（１６）の温度が変化する際に、前記温熱側の温度と前記冷熱側の温度とが等しくなり易いように、配置される熱電装置と、
を備える半導体技術の集積回路。
【請求項２】
前記熱源の温度が変化した時刻からの、前記信号の連続的に可変の部分（ｔ０−ｔ１）に従って、有用な情報を供給する測定回路を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項３】
前記温熱側と前記冷熱側との間の距離は、１００μｍ未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項４】
前記温熱側は、前記半導体技術の相互接続レベルで作られた熱ブリッジ（３６）によって、前記間欠熱源（１６）に結合される、ことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項５】
前記熱電装置は、絶縁体（３４）上に作製される、ことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項６】
複数の相互接続レベル（Ｍ１−Ｍ７）を提供し、且つ、レベル毎に金属の最少比率を必要とする、技術において作られており、
前記温熱側（Ｔｈ）から開始して、前記冷熱側（Ｔｃ）に向かうセンサの面から遠ざかる、ステップ構造（４０）を備え、
前記ステップ構造（４０）のステップは、連続する相互接続レベル（Ｍ１−Ｍ７）において金属で作られる、ことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項７】
前記ステップは、レベル毎の最少金属比率要件を満たすことを可能にする、最小寸法により実現される、ことを特徴とする請求項６に記載の集積回路。
【請求項８】
外部からアクセス可能なストリップに前記冷熱側（Ｔｃ）を接続する、熱ブリッジ（３８）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項９】
前記間欠熱源（１６）は、チョップモード（chopped mode）で動作するトランジスタである、ことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【請求項１０】
前記熱ブリッジ（３６，３８）は、前記装置と電気的に接触せずに、前記装置の一端の周りに配置されるビアを備える、ことを特徴とする請求項４または８に記載の集積回路。
【請求項１１】
前記温熱側及び前記冷熱側は、
前記温熱側（Ｔｈ）の温度が、前記加熱期間の終了時に、前記冷熱側（Ｔｃ）の温度より高くなり、且つ、
前記冷熱側（Ｔｃ）の温度が、前記冷却期間の終了時に、前記温熱側（Ｔｈ）の温度より高くなるように、配置される、請求項１に記載の集積回路。
【国際調査報告】
2013501354.tif 000012
2013501354.tif 000013
2013501354.tif 000014
2013501354.tif 000015