JP4535367B2 - 集積回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸化バナジウムからなるセンサ部材を備えた集積回路装置に関する。

近時、集積回路装置において、熱による素子の破壊を防止すること、及びその特性が温度依存性を持つ素子の動作を安定化することを目的として、集積回路装置の動作温度をモニタする必要性が高まってきている。

このため、例えば、半導体集積回路装置内において、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路）と同一の基板上に温度センサを設け、この温度センサによって検出される温度が所定値を超えたときに、異常過熱と判断してＬＳＩを遮断状態とすることにより、ＬＳＩを温度上昇による熱破壊から保護する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、このような温度センサとして、寄生ｐｎ接合ダイオードを使用する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、温度センサとして寄生ｐｎダイオードを使用する技術においては、寄生ｐｎ接合ダイオードの電気抵抗値の温度係数が０．２（％／Ｋ）程度と低く、十分なＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio：信号対雑音比）を得ることができないという問題点がある。

そこで、電気抵抗率の温度係数の絶対値が大きい抵抗体として、酸化バナジウム膜を使用することが知られている（例えば、特許文献３参照）。

一方、赤外線カメラの受光部に熱型赤外線検出器を設け、この熱型赤外線検出器の各画素に酸化バナジウム膜を設け、この酸化バナジウム膜の電気抵抗値を検出することにより、各画素が受光した赤外線の強度を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。

特開平１−３０２８４９号公報 特開平９−２２９７７８号公報 特開平１１−３３００５１号公報 特開２００１−９９７０５号公報

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示す問題点がある。酸化バナジウム膜を温度センサ又は赤外線センサとして使用する場合は、この酸化バナジウム膜に電流を流す必要がある。しかしながら、酸化バナジウム膜に過大な電流を流すと、この電流によって酸化バナジウム膜が破壊されてしまい、センサとして機能しなくなる。

従来、半導体集積回路装置の温度センサとして酸化バナジウム膜を使用した例はなく、酸化バナジウム膜を破壊せずに流すことができる電流の上限値は不明であった。しかし、近時、半導体集積回路装置の温度を精密に測定する必要が高まっており、温度センサとして酸化バナジウム膜を使用する必要が生じつつある。

また、赤外線カメラの赤外線センサとして酸化バナジウム膜を使用する場合には、マトリクス状に配列された複数の画素において各画素を形成する酸化バナジウム膜に電流を流しているが、各酸化バナジウム膜に流れる電流はパルス状であるため、電流により酸化バナジウム膜が破壊されるということはあまり起こらなかった。しかし、将来、赤外線カメラの画素数が増加し、これに伴って、各画素を形成する酸化バナジウム膜が小さくなり、酸化バナジウム膜に流すことができる電流の上限値が低下することが予想される。このため、抵抗値検出用の電流により、酸化バナジウム膜が破壊されることが予想される。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、酸化バナジウムからなるセンサ部材を備えた集積回路装置において、過大な電流によりセンサ部材が破壊されることがなく、信頼性が高い集積回路装置を提供することを目的とする。

本発明に係る集積回路装置は、基板と、前記基板上に設けられた多層配線層と、前記基板の表面及び前記多層配線層に設けられた集積回路部と、を有する集積回路装置であって、前記集積回路装置は、前記多層配線層上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられ酸化バナジウムにより形成され温度に応じて電気抵抗値が変化するセンサ部材と、前記絶縁層内に設けられ、前記センサ部材の電極と前記多層配線内の配線とを接続する第1のビアと、前記センサ部材に接続され前記センサ部材の電気的特性を検出して前記温度を測定する検出手段と、を有し、前記センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が１００μＡ／μｍ２以下であることを特徴とする。

本発明においては、センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が１００μＡ／μｍ^２以下であるため、電流によってセンサ部材が破壊されることがない。

本発明に係る集積回路装置において、前記集積回路装置の外部の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化してもよく、前記集積回路装置自体の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化してもよい。これにより、前記センサ部材の電気抵抗値を検出することにより、集積回路装置の温度を測定することができ、前記センサ部材を温度センサとして使用することができる。

また、本発明に係る集積回路装置において、前記センサ部材が前記多層配線層上に設けられていることが好ましい。これにより、センサ部材を形成する酸化バナジウムが基板及び多層配線層を汚染することがなく、基板及び多層配線層を製造する製造装置を汚染することもない。

また、電気抵抗値の温度係数の絶対値が前記センサ部材のそれよりも小さい第１及び第２の温度モニタ部材と、差動増幅部と、を有し、前記センサ部材が相互に独立して電流が流れる第３及び第４の温度モニタ部材からなり、第１の基準電位とこの第１の基準電位よりも低い第２の基準電位との間に前記第１及び第３の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて第１の直列接続体が形成され、前記第１の基準電位と前記第２の基準電位との間に前記第４及び第２の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて前記第１の直列接続体に並列に接続された第２の直列接続体が形成され、前記差動増幅部が前記第１の温度モニタ部材と前記第３の温度モニタ部材との間の第１の接続点の電位と前記第４の温度モニタ部材と前記第２の温度モニタ部材との間の第２の接続点の電位との差を増幅するものであってもよい。

これにより、温度が変化すると、第３及び第４の温度モニタ部材の電気抵抗値が変化するが、第１及び第２の温度モニタ部材の電気抵抗値は第３及び第４の温度モニタ部材ほどは変化しないため、第１の接続点の電位と第２の接続点の電位とは相互に逆の方向に変化する。そして、差動増幅部が第１の接続点の電位と第２の接続点の電位との差を増幅することにより、温度変化に対応して大きく変化する信号を得ることができる。これにより、温度を精度良く測定することができる。

更に、前記第１及び第２の温度モニタ部材がシリコンにより形成されていることが好ましい。これにより、通常の半導体プロセスにより、第１及び第２の温度モニタ部材を形成することができる。

本発明によれば、センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が１００μＡ／μｍ^２以下であるため、電流によってセンサ部材が破壊されることがなく、信頼性が高い集積回路装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る集積回路装置を示す断面図であり、図２は、図１に示す集積回路装置の温度センサ部を示す等価回路図であり、図３は、図１に示す差動増幅部を示す等価回路図である。本実施形態に係る集積回路装置は１個のシリコンチップ上に形成された半導体集積回路装置である。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体集積回路装置１は、Ｐ型のシリコン基板２と、このシリコン基板２上に形成された多層配線層３と、この多層配線層３上に形成された絶縁層４と、この絶縁層４上に形成されたシート層５とから構成されている。多層配線層３は、夫々複数の配線層及び絶縁層が交互に積層されたものである。また、シート層５は多層配線層３内の配線層とは異なり、通常の配線は形成されないものである。そして、この半導体集積回路装置１には、シリコン基板２の表面及び多層配線層３の所定の領域に形成された論理回路部６が設けられている。また、半導体集積回路装置１には、シリコン基板２の表面及び多層配線層３における論理回路部６が形成されていない領域、並びに絶縁層４及びシート層５に形成された温度センサ部７が設けられている。

論理回路部６においては、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）トランジスタ８が設けられている。即ち、シリコン基板２の表面にＮウエルＮＷ及びＰウエルＰＷが相互に隣接するように形成されている。ＮウエルＮＷの表面には、２ヶ所のｐ^＋拡散領域Ｐ３及びＰ４が相互に離隔して形成されており、ＰウエルＰＷの表面には、２ヶ所のｎ^＋拡散領域Ｎ１及びＮ２が相互に離隔して形成されている。ＮウエルＮＷにおけるｐ^＋拡散領域Ｐ３とｐ^＋拡散領域Ｐ４との間の領域はチャネル領域９となっている。また、ＰウエルＰＷにおけるｎ^＋拡散領域Ｎ１とｎ^＋拡散領域Ｎ２との間の領域はチャネル領域１０となっている。

多層配線層３におけるチャネル領域９及び１０の直上域を含む領域にはゲート絶縁膜（図示せず）が設けられており、ゲート絶縁膜上におけるチャネル領域９及び１０の直上域には夫々、例えばポリシリコンからなるゲート電極Ｇ１及びＧ２が設けられている。ゲート電極Ｇ１及びＧ２はゲート端子Ｖｇに共通接続されている。そして、チャネル領域９、ソース・ドレイン領域としてのｐ^＋拡散領域Ｐ３及びＰ４、ゲート絶縁膜並びにゲート電極Ｇ１により、Ｐ型ＭＯＳトランジスタが形成されている。また、チャネル領域１０、ソース・ドレイン領域としてのｎ^＋拡散領域Ｎ１及びＮ２、ゲート絶縁膜並びにゲート電極Ｇ２により、Ｎ型ＭＯＳトランジスタが形成されている。そして、これらのＰ型ＭＯＳトランジスタ及びＮ型ＭＯＳトランジスタにより、ＣＭＯＳトランジスタ８が構成されている。

多層配線層３におけるｐ^＋拡散領域Ｐ３上には、このｐ^＋拡散領域Ｐ３に接続するようにビアＶ２１が設けられており、このビアＶ２１上には、ビアＶ２１に接続するように第１配線Ｗ２１が設けられている。第１配線Ｗ２１上には、この第１配線Ｗ２１に接続するようにビアＶ２２が設けられており、ビアＶ２２上には、このビアＶ２２に接続するように、第２配線Ｗ２２が設けられている。第２配線Ｗ２２は電源電位Ｖｃｃが印加される電源電位配線である。これにより、ｐ^＋拡散領域Ｐ３は、ビアＶ２１、配線Ｗ２１及びビアＶ２２を介して、電源電位配線である第２配線Ｗ２２に接続されている。

また、多層配線層３におけるｐ^＋拡散領域Ｐ４上には、このｐ^＋拡散領域Ｐ４に接続するようにビアＶ２３が設けられており、ｎ^＋拡散領域Ｎ１上には、このｎ^＋拡散領域Ｎ１に接続するようにビアＶ２４が設けられている。そして、ビアＶ２３及びＶ２４上には、ビアＶ２３及びＶ２４の双方に接続するように第１配線Ｗ２３が設けられており、第１配線Ｗ２３上には、この第１配線Ｗ２３に接続するようにビアＶ２５が設けられており、ビアＶ２５上にはこのビアＶ２５に接続するように第２配線Ｗ２５が設けられている。これにより、ｐ^＋拡散領域Ｐ４及びｎ^＋拡散領域Ｎ１は、ビアＶ２３及びＶ２４、第１配線Ｗ２３並びにビアＶ２５を介して、第２配線Ｗ２５に接続されている。

更に、多層配線層３におけるｎ^＋拡散領域Ｎ２上には、このｎ^＋拡散領域Ｎ２に接続するようにビアＶ２６が設けられており、ビアＶ２６上には、このビアＶ２６に接続するように第１配線Ｗ２６が設けられている。第１配線Ｗ２６には接地電位ＧＮＤが印加されるようになっている。これにより、ｎ^＋拡散領域Ｎ２には、配線Ｗ２６及びビアＶ２６を介して接地電位ＧＮＤが印加されるようになっている。

一方、シリコン基板２の表面におけるＮウエルＮＷ及びＰウエルＰＷが形成されている領域以外の領域に、ｐ^＋拡散領域Ｐ５が形成されている。多層配線層３におけるｐ^＋拡散領域Ｐ５上には、下から順にビアＶ２７、第１配線Ｗ２７、ビアＶ２８及び第２配線Ｗ２８がこの順に設けられている。第２配線Ｗ２８は接地電位ＧＮＤが印加される接地電位配線である。これにより、ｐ^＋拡散領域Ｐ５は、ビアＶ２７、配線Ｗ２７及びビアＶ２８を介して、接地電位配線である第２配線Ｗ２８に接続されている。なお、論理回路部６には、外部から信号が入力されると共に外部に対して信号を出力するためのボンディングパッド（図示せず）が設けられている。ボンディングパッドは多層配線層３の最上層に設けられており、ボンディングパッドの直上域においては、絶縁層４及びシート層５が設けられておらず、開口部となっている。そして、このボンディングパッドに、ボンディングワイヤが接合されて、信号の入出力を行うようになっている。論理回路部６にはＣＭＯＳトランジスタ８及びボンディングパッド以外の素子も設けられているが、図１においては図示を省略されている。

また、温度センサ部７においては、シリコン基板２の表面の一部にｐ^＋拡散領域Ｐ１が形成されている。そして、多層配線層３におけるｐ^＋拡散領域Ｐ１上の部分には、このｐ^＋拡散領域Ｐ１に接続するようにビアＶ１が設けられており、このビアＶ１上には、ビアＶ１に接続するように第１配線Ｗ１が設けられている。第１配線Ｗ１は、多層配線層３におけるシリコン基板２側から１番目の配線層、即ち、第１配線層に形成されている。また、第１配線Ｗ１上には、第１配線Ｗ１に接続するようにビアＶ２が設けられており、ビアＶ２上には、このビアＶ２に接続するように第２配線Ｗ２が設けられている。第２配線Ｗ２は第２配線層に形成されており、多層配線層３の上面において露出している。そして、絶縁層４における第２配線Ｗ２上の部分には、第２配線Ｗ２に接続するようにビアＶ３が形成されている。

シート層５におけるビアＶ３上の部分には、温度モニタ部材Ｒ１が設けられている。即ち、温度モニタ部材Ｒ１は多層配線層３の上層に設けられている。温度モニタ部材Ｒ１の形状は、シリコン基板２の表面に垂直な方向から見て（以下、平面視で、という）矩形をなすシート形状であり、その１辺の長さは例えば１０乃至１００μｍであり、膜厚は例えば０．１乃至０．２μｍである。温度モニタ部材Ｒ１の相互に対向する２辺には夫々電極（図示せず）が設けられており、一方の電極はビアＶ３に接続されている。

温度モニタ部材Ｒ１は、温度に応じて電気抵抗率が変化する材料により形成されており、例えば酸化バナジウムにより形成されている。酸化バナジウムの安定な化合物は、例えばＶＯ_２及びＶ_２Ｏ_５等であり、酸化バナジウムを化学式ＶＯ_ｘで表すと、ｘは２前後である。なお、温度が２５℃であるときの酸化バナジウムの体積抵抗率は、シリコンウエハ上で例えば０．０１乃至１０（Ω・ｃｍ）程度であり、その温度係数は、製造方法によっても異なるが、例えば−１．５（％／Ｋ）程度である。従って、温度モニタ部材Ｒ１の抵抗値の温度係数も例えば−１．５（％／Ｋ）程度である。温度モニタ部材Ｒ１の抵抗値は例えば数千乃至数万Ω、例えば２５ｋΩである。

絶縁層４における温度モニタ部材Ｒ１の下方には、温度モニタ部材Ｒ１の他方の電極（図示せず）に接続するようにビアＶ４が形成されている。また、多層配線層３におけるビアＶ４の下方には、このビアＶ４に接続するように第２配線Ｗ５が設けられている。第２配線Ｗ５の下方には第２配線Ｗ５に接続するようにビアＶ５が設けられており、ビアＶ５の下方には、第１配線Ｗ６が設けられている。第１配線Ｗ６には、出力端子Ｖｏｕｔ１が接続されている。更に、第１配線Ｗ６の下方には第１配線Ｗ６に接続するようにビアＶ６が設けられている。即ち、第１配線Ｗ６の一端はビアＶ５に接続されており、他端はビアＶ６に接続されている。ビアＶ６の下方には、温度モニタ部材Ｒ２が設けられている。

温度モニタ部材Ｒ２は、電気抵抗率の温度係数の絶対値が、温度モニタ部材Ｒ１の電気抵抗率の温度係数の絶対値よりも小さい材料により形成されており、例えば、Ｎ型の不純物が注入されたアモルファスシリコンにより形成されている。アモルファスシリコンの電気抵抗率の温度係数は例えば＋０．３（％／Ｋ）程度である。従って、温度モニタ部材Ｒ２の抵抗値の温度係数も例えば＋０．３（％／Ｋ）程度である。温度モニタ部材Ｒ２の抵抗値は、例えば、温度モニタ部材Ｒ１の抵抗値と略等しく設定されており、例えば数千乃至数万Ω、例えば２５ｋΩである。温度モニタ部材Ｒ２の形状は、平面視で矩形をなすシート形状であり、その１辺の長さが例えば１乃至１００μｍであり、膜厚は例えば０．１乃至０．３μｍである。温度モニタ部材Ｒ２の相互に対向する２辺には夫々電極（図示せず）が設けられており、一方の電極はビアＶ６に接続されている。

更にまた、温度モニタ部材Ｒ２上には温度モニタ部材Ｒ２の他方の電極（図示せず）に接続するようにビアＶ７が設けられており、ビアＶ７上には、ビアＶ７に接続するように第１配線Ｗ７が設けられている。第１配線Ｗ７上には、第１配線Ｗ７に接続するようにビアＶ８が設けられており、ビアＶ８上には、このビアＶ８に接続するように、第２配線Ｗ８が設けられている。第２配線Ｗ８は、電源電位Ｖｃｃが印加される電源電位配線である。

即ち、ｐ^＋拡散領域Ｐ１から電源電位配線である第２配線Ｗ８に向かって、ビアＶ１、第１配線Ｗ１、ビアＶ２、第２配線Ｗ２、ビアＶ３、温度モニタ部材Ｒ１、ビアＶ４、第２配線Ｗ５、ビアＶ５、第１配線Ｗ６、ビアＶ６、温度モニタ部材Ｒ２、ビアＶ７、第１配線Ｗ７、ビアＶ８がこの順に直列に接続されており、第１の直列接続体が形成されている。また、ｐ^＋拡散領域Ｐ１は、シリコン基板２、ｐ^＋拡散領域Ｐ５、ビアＶ２７、第１配線Ｗ２７、ビアＶ２８を介して、接地電位配線である第２配線Ｗ２８に接続されている。

また、温度センサ部７においては、前述の第１の直列接続体と対をなすように、第２の直列接続体が形成されている。この第２の直列接続体は、図１に示すように、シリコン基板２の表面に形成されたｐ^＋拡散領域Ｐ２から電源電位配線である第２配線Ｗ１７に向かって、ビアＶ１１、第１配線Ｗ１１、ビアＶ１２、温度モニタ部材Ｒ４、ビアＶ１３、第１配線Ｗ１３、ビアＶ１４、第２配線Ｗ１４、ビアＶ１５、温度モニタ部材Ｒ３、ビアＶ１６がこの順に直列に接続されて形成されている。そして、第１配線Ｗ１３には、出力端子Ｖｏｕｔ２が接続されている。また、ｐ^＋拡散領域Ｐ２は、シリコン基板２、ｐ^＋拡散領域Ｐ５、ビアＶ２７、第１配線Ｗ２７、ビアＶ２８を介して、接地電位配線である第２配線Ｗ２８に接続されている。

第２の直列接続体の構成をより詳細に説明する。シリコン基板２の表面に、ｐ^＋拡散領域Ｐ２が形成されている。そして、多層配線層３におけるｐ^＋拡散領域Ｐ２上の部分には、ｐ^＋拡散領域Ｐ２に接続するようにビアＶ１１が設けられており、ビアＶ１１上には第１配線Ｗ１１が設けられている。ビアＶ１１は第１配線Ｗ１１の一端に接続されている。また、第１配線Ｗ１１の下方には、第１配線Ｗ１１の他端に接続するように、ビアＶ１２が設けられており、ビアＶ１２の下方には、温度モニタ部材Ｒ４が設けられている。温度モニタ部材Ｒ４はアモルファスシリコンにより形成されており、その形状及びサイズは温度モニタ部材Ｒ２と同様である。ビアＶ１２は温度モニタ部材Ｒ４の一方の電極（図示せず）に接続されている。

また、温度モニタ部材Ｒ４上には、温度モニタ部材Ｒ４の他方の電極（図示せず）に接続されるように、ビアＶ１３が設けられており、ビアＶ１３上には、第１配線Ｗ１３が設けられている。ビアＶ１３は第１配線Ｗ１３の一端に接続されている。第１配線Ｗ１３には、出力端子Ｖｏｕｔ２が接続されている。そして、第１配線Ｗ１３上にはビアＶ１４が設けられており、第１配線Ｗ１３の他端に接続されている。ビアＶ１４上には、ビアＶ１４に接続されるように第２配線Ｗ１４が設けられており、第２配線Ｗ１４上には、第２配線Ｗ１４に接続されるようにビアＶ１５が設けられている。ビアＶ１５上には、ビアＶ１５に接続されるように、温度モニタ部材Ｒ３が設けられている。

温度モニタ部材Ｒ３は酸化バナジウムにより形成されており、その形状及びサイズは温度モニタ部材Ｒ１の形状及びサイズと同じである。ビアＶ１５は温度モニタ部材Ｒ３の一方の電極（図示せず）に接続されている。そして、温度モニタ部材Ｒ３の下方には、温度モニタ部材Ｒ３の他方の電極（図示せず）に接続するように、ビアＶ１６が設けられている。そして、ビアＶ１６の下方には、ビアＶ１６に接続されるように、電源電位Ｖｃｃが印加される電源電位配線である第２配線Ｗ１７が設けられている。

半導体集積回路装置１において、ゲート電極Ｇ１及びＧ２並びに温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４は同層に設けられている。また、第１配線Ｗ１、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ１１、Ｗ１３、Ｗ２１、Ｗ２３、Ｗ２６、Ｗ２７は第１配線層に設けられている。更に、第２配線Ｗ２、Ｗ５、Ｗ８、Ｗ１４、Ｗ１７、Ｗ２２、Ｗ２５、Ｗ２８は第２配線層に設けられており、多層配線層３の上面において露出している。更にまた、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３はシート層５において同層に設けられている。そして、多層配線層３、絶縁層４及びシート層５における前記各温度モニタ部材、各配線、各ビア及びゲート電極以外の部分は、絶縁材料１１により埋め込まれている。これにより、温度モニタ部材Ｒ１乃至Ｒ４には、半導体集積回路装置１自体の温度変化、及び半導体集積回路装置１の外部の温度変化が伝わるようになっている。

半導体集積回路装置１の温度センサ部７を上述のように構成することにより、図２に示すように、電源電位Ｖｃｃが印加される電源電位配線（図１に示す第２配線Ｗ８及びＷ１７）と、接地電位ＧＮＤが印加される接地電位配線（図１に示す第２配線Ｗ２８）との間に、温度モニタ部材Ｒ２及びＲ１がこの順に直列に接続された第１の直列接続体と、温度モニタ部材Ｒ３及びＲ４がこの順に直列に接続された第２の直列接続体とが、相互に並列に接続された回路が形成される。この回路においては、温度モニタ部材Ｒ１と温度モニタ部材Ｒ２との間の接続点に出力端子Ｖｏｕｔ１が接続され、温度モニタ部材Ｒ３と温度モニタ部材Ｒ４との間の接続点に出力端子Ｖｏｕｔ２が接続されている。

そして、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の断面には、最大でも電流密度が１００（μＡ／μｍ^２）以下の電流しか流れないようになっている。例えば、半導体集積回路装置１を使用する温度範囲が−５０乃至１００℃であり、温度が２５℃であるときの温度モニタ部材Ｒ１乃至Ｒ４の電気抵抗値が２５ｋΩであるとする。このとき、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の電気抵抗値の温度係数は−１．５（％／Ｋ）であり、温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４の電気抵抗値の温度係数は＋０．３（％／Ｋ）である。そして、温度が−５０℃であるときの温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の電気抵抗値は夫々７７ｋΩであり、温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４の電気抵抗値は夫々２０ｋΩである。また、温度が１００℃であるときの温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の電気抵抗値は夫々８ｋΩであり、温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４の電気抵抗値は夫々３０ｋΩである。なお、電気抵抗値の温度依存性は、完全に線形ではない。従って、温度が−５０乃至１００℃の範囲で変動すると、第１及び第２の直列接続体の抵抗は、夫々、３８乃至９７ｋΩの範囲で変動する。そして、電源電位Ｖｃｃが３．３Ｖであり、接地電位ＧＮＤが０Ｖであるとすると、第１及び第２の直列接続体に流れる電流の大きさは、約３４乃至８７μＡとなる。

一方、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の幅、即ち電流方向の直交する方向の長さは２０μｍであり、厚さは０．２μｍであるため、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３における電流が流れる方向に直交する断面積は４μｍ^２である。従って、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の断面に流れる電流の電流密度は、８．５乃至２１．８（μＡ／μｍ^２）であり、１００（μＡ／μｍ^２）以下となっている。

また、温度センサ部７には、差動増幅部１２が設けられており、出力端子Ｖｏｕｔ１及びＶｏｕｔ２から出力される電位が入力されるようになっている。差動増幅部１２は、出力端子Ｖｏｕｔ１の電位と出力端子Ｖｏｕｔ２の電位との差を増幅して、出力端子Ｖｏｕｔ３から出力するものである。差動増幅部１２の出力信号は、半導体集積回路装置１内の温度の情報を含むアナログ信号である。そして、この出力信号に基づいて、論理回路部６が制御されるようになっている。なお、温度センサ部７における温度モニタ部材Ｒ１乃至Ｒ４以外の部分により、温度モニタ部材の電気抵抗値を検出して温度を測定する検出手段が構成されている。

図３に示すように、差動増幅部１２には、従来の差動増幅器を使用することができる。差動増幅部１２においては、電源電位配線２１と接地電位配線２２との間に、２個のＰ型トランジスタ２３及びＮ型トランジスタ２５が直列に接続された回路と、Ｐ型トランジスタ２４及びＮ型トランジスタ２６が直列に接続された回路とが、相互に並列に接続されている。

即ち、Ｐ型トランジスタ２３のソースは電源電位配線２１に接続されており、ドレインはＮ型トランジスタ２５のドレインに接続されており、Ｎ型トランジスタ２５のソースは接地電位配線２２に接続されている。一方、Ｐ型トランジスタ２４のソースは電源電位配線２１に接続されており、ドレインはＮ型トランジスタ２６のドレインに接続されており、Ｎ型トランジスタ２６のソースは接地電位配線２２に接続されている。また、Ｐ型トランジスタ２３及び２４のゲートはＰ型トランジスタ２３のドレインに接続されている。更に、Ｎ型トランジスタ２５のゲートは出力端子Ｖｏｕｔ１に接続されており、Ｎ型トランジスタ２６のゲートは出力端子Ｖｏｕｔ２に接続されている。更にまた、Ｐ型トランジスタ２４のドレインには出力端子Ｖｏｕｔ３が接続されている。これにより、差動増幅部１２は、出力端子Ｖｏｕｔ３から、出力端子Ｖｏｕｔ１の電位と出力端子Ｖｏｕｔ２の電位との差を増幅した信号を出力する。

以下、本発明の数値限定理由について説明する。
センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度：１００μＡ／μｍ ^２ 以下
図４は横軸にセンサ部材（温度モニタ部材）の電流方向の長さをとり、縦軸にセンサ部材の断面に流れる幅１μｍ当たりの電流値及び電流密度の測定結果をとって、センサ部材の形状と電流の大きさとの関係を示すグラフ図である。図４に示す測定においては、センサ部材を酸化バナジウム膜により形成し、この酸化バナジウム膜の幅を５μｍ、１０μｍ、５０μｍの３水準とし、酸化バナジウム膜の膜厚を０．１μｍとし、センサ部材の両端に印加する電圧を１Ｖとしている。そして、図４においては、電流を流すことによるセンサ部材（酸化バナジウム膜）の破壊の有無を表記している。

図４に示すように、センサ部材の長さが長くなると、センサ部材の抵抗値が大きくなり、センサ部材を流れる電流の電流値が低減し、従って電流密度が低減する。そして、電流密度が１００μＡ／μｍ^２よりも大きくなると、酸化バナジウム膜が破壊されてしまう。センサ部材に流す電流の電流密度とセンサ部材の破壊の有無との関係を、表１に示す。表１において、「ＯＫ」は電流を流してもセンサ部材が破壊されなかったことを示し、「ＮＧ」は電流を流すことによりセンサ部材が破壊されたことを示す。

図４及び表１に示すように、センサ部材を酸化バナジウムにより形成した場合、センサ部材の断面に流れる電流の電流密度が１００（μＡ／μｍ^２）よりも大きいと、センサ部材が破壊されてしまう。これに対して、前記電流密度が１００（μＡ／μｍ^２）以下であれば、センサ部材が破壊されることがない。なお、たとえ短時間であっても、センサ部材に電流密度が１００（μＡ／μｍ^２）よりも大きい電流が流れると、センサ部材は破壊されてしまう。従って、センサ部材に大きさが変動する電流を流す場合、例えば、パルス状の電流を流す場合においては、センサ部材に流れる最大の電流密度を１００（μＡ／μｍ^２）以下とする必要がある。従って、本発明においては、センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度を１００μＡ／μｍ^２以下とする。

次に、上述の如く構成された本実施形態に係る半導体集積回路装置１の動作について説明する。接地電位配線に接地電位ＧＮＤを印加し、電源電位配線に電源電位Ｖｃｃを印加すると、電源電位配線から接地電位配線に向かって、第１及び第２の直列接続体に夫々電流が流れる。前述の如く、第１及び第２の直列接続体に流れる電流の大きさは夫々３４乃至８７μＡであり、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３における電流密度は８．５乃至２１．８（μＡ／μｍ^２）である。これにより、出力端子Ｖｏｕｔ１の電位は、温度モニタ部材Ｒ１の抵抗値及び温度モニタ部材Ｒ２の抵抗値によって決定される接地電位と電源電位との中間の値となる。そして、外部の温度が上昇するか、又は論理回路部６が駆動して発熱すること等により半導体集積回路装置１の温度が上昇すると、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ２の温度も上昇し、温度モニタ部材Ｒ１の抵抗値が低下する。なお、このとき、温度モニタ部材Ｒ２の抵抗値はほとんど変化しない。この結果、出力端子Ｖｏｕｔ１の電位が低下する。

同様に、出力端子Ｖｏｕｔ２の電位は、温度モニタ部材Ｒ３の抵抗値及び温度モニタ部材Ｒ４の抵抗値によって決定される接地電位と電源電位との中間の値となる。そして、半導体集積回路装置１の温度が上昇すると、温度モニタ部材Ｒ３及びＲ４の温度も上昇し、温度モニタ部材Ｒ３の抵抗値が低下する。一方、温度モニタ部材Ｒ４の抵抗値はほとんど変化しない。この結果、出力端子Ｖｏｕｔ２の電位が上昇する。

そして、出力端子Ｖｏｕｔ１及びＶｏｕｔ２の電位が差動増幅部１２の入力端子に入力され、差動増幅部１２が出力端子Ｖｏｕｔ１及びＶｏｕｔ２の電位差を増幅し、出力端子Ｖｏｕｔ３から出力する。そして、この出力に基づいて温度を測定する。

また、この温度の測定結果に基づいて、論理回路部６を制御する。例えば、温度の測定値が所定の値を超えた場合は、論理回路部６が過熱状態にあると判断し、論理回路部６の駆動を停止する。

本実施形態においては、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３に流れる電流の電流密度が８．５乃至２１．８（μＡ／μｍ^２）であり、１００（μＡ／μｍ^２）以下であるため、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３が電流によって破壊されることがない。

また、本実施形態においては、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３を酸化バナジウムにより形成している。酸化バナジウムは、電気抵抗率の温度係数の絶対値が例えば約１．５（％／Ｋ）と大きいため、温度測定に際して高いＳＮＲを得ることができる。また、アモルファスシリコンからなる温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４と共にブリッジ回路を形成し、出力端子Ｖｏｕｔ１及びＶｏｕｔ２の電位差を検出することにより、温度測定の精度をより向上させることができる。更に、差動増幅回路１２によりこの電位差を増幅することにより、温度測定精度をより一層向上させることができる。

例えば、電源電位Ｖｃｃを３．３Ｖ、接地電位ＧＮＤを０Ｖ、酸化バナジウムからなる温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の室温における抵抗値を夫々１ｋΩ、アモルファスシリコンからなる温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４の室温における抵抗値を夫々１ｋΩとすると、室温における出力端子Ｖｏｕｔ２の電位は１．６５Ｖである。そして、酸化バナジウムの電気抵抗率の温度係数を−１．５（％／Ｋ）とし、アモルファスシリコンの電気抵抗率の温度変化を無視できるとすると、温度が室温から１０℃上昇した場合には、温度モニタ部材Ｒ３の抵抗値は９８５Ωとなる。一方、温度モニタ部材Ｒ４の抵抗値は略１ｋΩのままである。この結果、出力端子Ｖｏｕｔ２の電位は、１．６６２Ｖとなる。即ち、温度が室温であるときと比較して、０．０１２Ｖ増加する。このように、温度モニタ部材Ｒ３及びＲ４を電源電位と接地電位との間に直列に接続することにより、温度変化を電位変化として検出することができるが、その感度は低く、１０℃の温度変化に対して０．０１２Ｖの電位変化しか検出することができない。

しかしながら、本実施形態においては、温度モニタ部材Ｒ３及びＲ４を直列に接続した直列接続体の他に、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ２を直列に接続した直列接続体も設けている。この場合、室温における出力端子Ｖｏｕｔ１の電位は１．６５Ｖである。そして、温度が室温から１０℃上昇すると、温度モニタ部材Ｒ２の抵抗値は１ｋΩのままであるが、温度モニタ部材Ｒ１の抵抗値が９８５Ωとなる。この結果、出力端子Ｖｏｕｔ１の電位は、１．６３８Ｖに低下する。従って、出力端子Ｖｏｕｔ１と出力端子Ｖｏｕｔ２との間の電位差をとれば、温度が室温であるときは、前記電位差は０Ｖであり、温度が室温から１０℃上昇すると、前記電位差は１．１２４Ｖとなる。このように、出力端子Ｖｏｕｔ１と出力端子Ｖｏｕｔ２との間の電位差をとることにより、１０℃の温度変化に対して０．０２４Ｖの電位変化を検出することができる。そして、差動増幅部１２がこの電位変化を増幅することにより、温度変化をより大きな電位変化として取り出すことができる。

また、酸化バナジウムは化学的に安定であるため、半導体集積回路装置１の信頼性を向上させることができる。

更に、本実施形態においては、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３が多層配線層３の上層のシート層５に設けられており、論理回路部６がこのシート層５には設けられておらず、それよりも下層の多層配線層３に設けられているため、酸化バナジウムにより論理回路部６を汚染することがなく、シリコン基板２及び多層配線層３を製造するための半導体製造装置を汚染することがなく、この半導体製造装置により製造される他の製品を２次汚染することもない。また、論理回路部６には既存のマクロを使用することができる。そして、論理回路部６を形成した後に、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３を形成することができるため、論理回路部６を従来の製造プロセスにより形成することができる。このため、論理回路部６については、既存のプラットフォームを変更する必要がない。この結果、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３を設けることによる製造コストの上昇を抑制できる。なお、温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４はアモルファスシリコンにより形成しているため、通常の半導体プロセスにより形成することができる。

なお、本実施形態においては、温度モニタ部材Ｒ２及びＲ４をアモルファスシリコンにより形成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えばポリシリコンにより形成してもよい。

また、本実施形態においては、論理回路部６が形成されている領域と異なる領域に温度センサ部７が形成されている例を示したが、本発明においては、論理回路部６の直上域の少なくとも一部に温度モニタ部材Ｒ１及び／又はＲ３が配置されていてもよい。即ち、温度モニタ部材Ｒ１及び／又はＲ３の直下域に、論理回路部６の少なくとも一部が配置されていてもよい。これにより、温度モニタ部材Ｒ１及びＲ３の直下域を有効に利用して省スペース化を図ることができ、半導体集積回路装置１のレイアウト面積を低減して小型化を図ることができる。

更に、温度センサ部７は、半導体集積回路装置１が形成されているチップの１ヶ所に形成されていてもよく、複数の箇所に夫々形成されていてもよい。例えば、チップの中央部及び四隅部の合計５ヶ所に形成されていてもよい。温度センサ部３を複数ヶ所に夫々設け、各温度センサ部３の測定値の平均値を算出することにより、温度測定の精度をより向上させることができる。

次に、本発明の参考形態について説明する。図５は本参考形態に係る集積回路装置を示す断面図である。本参考形態に係る集積回路装置は、シリコン基板上に複数個の赤外線センサがマトリクス状に配列された熱型赤外線検出器である。この熱型赤外線検出器は、赤外線カメラの受光部に搭載されている。

図５に示すように、本参考形態に係る熱型赤外線検出器３１においては、シリコン基板３２が設けられており、このシリコン基板３２の表面に複数の赤外線センサ３３がマトリクス状に配列されており、各赤外線センサ３３が各画素を構成している。各赤外線センサ３３においては、導電材料からなる１対の梁３４が、シリコン基板３２から立設している。即ち、梁３４の根元部は、シリコン基板３２に固定されている。そして、１対の梁３４は制御回路（図示せず）に接続されており、この制御回路により電源電位Ｖｃｃ及び接地電位ＧＮＤが夫々印加されるようになっている。また、梁３４の先端部はシリコン基板３２から離隔しており、この先端部間において、赤外線センサ部材３５が支持されている。

赤外線センサ部材３５は酸化バナジウムからなり、その形状は略四角形となっている。そして、赤外線センサ部材３５の一端は一の梁３４の先端部に接続され、他端は他の梁３４の先端部に接続されている。また、梁３４及び赤外線センサ部材３５は絶縁層３６により被覆されている。赤外線センサ部材３５の長さ、即ち、梁３４との接続部分間の長さは例えば２０μｍであり、幅は例えば２μｍであり、厚さは例えば０．２μｍである。従って、赤外線センサ部材における電流方向に直交する断面積は、０．４μｍ^２である。

赤外線センサ部材３５は、熱型赤外線検出器３１の外部から入射する赤外線が到達する位置に配置されている。なお、図５に示す矢印３７は赤外線の入射方向を示している。また、赤外線センサ３３は中空構造となっている。即ち、赤外線センサ部材３５はシリコン基板３２から離隔しており、赤外線センサ部材３５とシリコン基板３２との間にはエアギャップ３８が設けられている。また、シリコン基板３２の表面における赤外線センサ部材３５の直下域を含む領域には、反射板３９が設けられている。

そして、赤外線センサ部材３５の断面には、最大でも電流密度が１００（μＡ／μｍ^２）以下の電流しか流れないようになっている。例えば、赤外線が照射されていないときの赤外線センサ部材３５の電気抵抗値は１２０ｋΩである。また、赤外線が照射され、温度が上昇したときの赤外線センサ部材３５の電気抵抗値は９５ｋΩである。そして、電源電位Ｖｃｃは３．３Ｖであり、接地電位ＧＮＤは０Ｖであるため、赤外線センサ部材３５には、大きく見積もって、２７乃至３５μＡの電流が流れ、このときの電流密度は６７乃至８８（μＡ／μｍ^２）となり、１００（μＡ／μｍ^２）以下となっている。

次に、本参考形態の動作について説明する。赤外線カメラの外部から赤外線が入射し、この赤外線が熱型赤外線検出器３１の各赤外線センサ３３に入射する。そして、この赤外線の一部は赤外線センサ部材３５に到達し、吸収される。また、赤外線の他の一部は、エアギャップ３８を通過して、反射板３９により反射され、再びエアギャップ３８を通過して赤外線センサ部材３５に到達し、吸収される。これにより、赤外線センサ部材３５の温度が上昇し、電気抵抗値が低下する。

そして、制御回路が、１対の梁３４を介して赤外線センサ部材３５にパルス状に電圧を印加する。これにより、赤外線センサ部材３５にパルス状の電流が流れ、制御回路がこの電流の大きさを測定することにより、赤外線センサ部材３５の電気抵抗値を検出する。この検出結果に基づいて、各赤外線センサ３３に入射した赤外線の強度を測定し、赤外線画像を形成する。前述の如く、このとき赤外線センサ部材３５に流れる最大電流値は２７乃至３５μＡであり、最大電流密度は６７乃至８８（μＡ／μｍ^２）である。

本参考形態においては、赤外線センサ部材３５が酸化バナジウムにより形成されているため、赤外線センサ３３に入射した赤外線の強度を精度よく測定することができる。また、赤外線センサ部材３５の断面に流れる電流の最大電流密度が１００（μＡ／μｍ^２）以下であるため、電流を流すことにより赤外線センサ部材３５が破壊されることがない。

本発明は、モノリシック型の温度センサを内蔵した集積回路装置等に好適に利用することができる。

本発明の実施形態に係る集積回路装置を示す断面図である。 図１に示す集積回路装置の温度センサ部を示す等価回路図である。 図２に示す差動増幅部を示す等価回路図である。 横軸にセンサ部材（温度モニタ部材）の電流方向の長さをとり、縦軸にセンサ部材の断面に流れる幅１μｍ当たりの電流値及び電流密度の測定結果をとって、センサ部材の形状と電流値との関係を示すグラフ図である。 本発明の参考形態に係る集積回路装置を示す断面図である。

符号の説明

１；半導体集積回路装置
２；シリコン基板
３；多層配線層
４；絶縁層
５；シート層
６；論理回路部
７；温度センサ部
８；ＣＭＯＳトランジスタ
９、１０；チャネル領域
１１；絶縁材料
１２；差動増幅部
２１；電源電位配線
２２；接地電位配線
２３、２４；Ｐ型トランジスタ
２５、２６；Ｎ型トランジスタ
３１；熱型赤外線検出器
３２；シリコン基板
３３；赤外線センサ
３４；梁
３５；赤外線センサ部材
３６；絶縁層
３７；赤外線の入射方向
３８；エアギャップ
３９；反射板
Ｇ１、Ｇ２；ゲート電極
ＧＮＤ；接地電位
Ｎ１、Ｎ２；ｎ^＋拡散領域
ＮＷ；Ｎウエル
Ｐ１〜Ｐ５；ｐ^＋拡散領域
ＰＷ；Ｐウエル
Ｒ１〜Ｒ４；温度モニタ部材
Ｖ１〜Ｖ２８；ビア
Ｖｃｃ；電源電位
Ｖｇ；ゲート端子
Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３；出力端子
Ｗ１、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ１１、Ｗ１３、Ｗ２１、Ｗ２３、Ｗ２６、Ｗ２７；第１配線
Ｗ２、Ｗ５、Ｗ８、Ｗ１４、Ｗ１７、Ｗ２２、Ｗ２５、Ｗ２８；第２配線

Claims (13)

1. 基板と、前記基板上に設けられた多層配線層と、前記基板の表面及び前記多層配線層に設けられた集積回路部と、を有する集積回路装置であって、
   前記集積回路装置は、
   前記多層配線層上に設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層上に設けられ酸化バナジウムにより形成され温度に応じて電気抵抗値が変化するセンサ部材と、
   前記絶縁層内に設けられ、前記センサ部材の電極と前記多層配線内の配線とを接続する第1のビアと、
   前記センサ部材に接続され前記センサ部材の電気的特性を検出して前記温度を測定する検出手段と、
   を有し、
   前記センサ部材の断面に流れる電流の最大電流密度が１００μＡ／μｍ２以下であることを特徴とする集積回路装置。
2. 前記センサ部材は、前記第1のビアならびに前記多層配線層内に設けられた複数の第２のビアおよび複数の配線を介して、前記基板に設けられた拡散層に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の集積回路装置。
3. 前記集積回路装置の外部の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化することを特徴とする請求項１又は２に記載の集積回路装置。
4. 前記集積回路装置自体の温度変化により、前記センサ部材の抵抗値が変化することを特徴とする請求項１又は２に記載の集積回路装置。
5. 前記検出手段の出力に基づいて前記集積回路部が制御されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の集積回路装置。
6. 前記センサ部材の直下域に前記集積回路部の少なくとも一部が配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の集積回路装置。
7. 複数の前記センサ部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の集積回路装置。
8. 前記センサ部材よりも下層に設けられたボンディングパッドを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の集積回路装置。
9. 前記検出手段が前記センサ部材の電気抵抗値を検出するものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の集積回路装置。
10. 前記センサ部材の形状がシート状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の集積回路装置。
11. 電気抵抗値の温度係数の絶対値が前記センサ部材のそれよりも小さい第１及び第２の温度モニタ部材と、差動増幅部と、を有し、前記センサ部材が相互に独立して電流が流れる第３及び第４の温度モニタ部材からなり、第１の基準電位とこの第１の基準電位よりも低い第２の基準電位との間に前記第１及び第３の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて第１の直列接続体が形成され、前記第１の基準電位と前記第２の基準電位との間に前記第４及び第２の温度モニタ部材がこの順に直列に接続されて前記第１の直列接続体に並列に接続された第２の直列接続体が形成され、前記差動増幅部が前記第１の温度モニタ部材と前記第３の温度モニタ部材との間の第１の接続点の電位と前記第４の温度モニタ部材と前記第２の温度モニタ部材との間の第２の接続点の電位との差を増幅するものであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の集積回路装置。
12. 前記第１の温度モニタ部材を形成する材料及び形状が前記第２の温度モニタ部材を形成する材料及び形状と夫々等しく、前記第３の温度モニタ部材の形状が前記第４の温度モニタ部材の形状と等しいことを特徴とする請求項１１に記載の集積回路装置。
13. 前記第１及び第２の温度モニタ部材がシリコンにより形成されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の集積回路装置。

Images