專利名稱：半導體集成電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體集成電路，該半導體集成電路包括熱產生電路元件，其產生相對較強的熱量，以及執行預定操作；多個溫度相關的電路元件，其顯示出彼此特性上的恒定關系，同時根據其溫度來執行預定操作。
背景技術：
例如，在音頻設備中，由于如果電源電路的輸出電壓變得不穩定，會使得聲音再現的精度惡化，開關調節器、DC/DC控制器等用作電源電路。該類型的電源電路包括功率晶體管，用于產生較大的輸出功率；以及包括多個晶體管的控制電路，用于控制功率晶體管。廣泛地使用了在其中具有一起形成的功率晶體管和控制電路的單個芯片中所設置的半導體集成電路。
圖5示出了由傳統半導體集成電路形成的電源電路的布局。如圖5所示，傳統半導體集成電路在硅片1上具有功率晶體管2；一對晶體管3和4，形成了過熱保護電路的一部分以保護功率晶體管2免于過熱；以及一對晶體管5和6，形成了控制電路的一部分以調節功率晶體管2。
過熱保護電路按照以下方式設置，以使其包括比較器，用于檢測從功率晶體管2中產生的溫度。該比較器將參考電壓與隨溫度波動的輸入電壓進行比較。用于控制電路的晶體管5和6形成了電流鏡像電路，用于執行控制以便穩定功率晶體管2的輸出電壓。
現在，在如上所述配置的半導體集成電路中，當通過熱傳導將功率晶體管2中釋放的熱量傳導到晶體管3、4、5和6時，功率晶體管2的操作精度可能會惡化，這是由于與其它電路元件相比，功率晶體管2產生相對較強的熱量。
形成比較器的一對晶體管3和4中的每一個具有彼此相同的特性。如果晶體管3和4離功率晶體管2的熱產生源的距離彼此不同，則晶體管3和4的溫度變得彼此不同。結果，晶體管3和4的特性將彼此不同，引起了前述的結果。
因此，這里出現了其中使用了具有彼此不同特性的晶體管3和4的相同的情況。因此，降低了比較器的精度，并妨礙過熱保護電路執行其保護功率晶體管2免于過熱的初始功能，由于過熱，可能會毀壞半導體集成電路。
此外，形成電流鏡像電路的一對晶體管5和6中的每一個具有彼此相同的特性。如果晶體管5和6離功率晶體管2的熱產生源的距離彼此不同，則晶體管5和6的溫度變得彼此不同。因此，晶體管5和6的特性將彼此不同。
因此，這里出現了其中使用了具有彼此不同特性的晶體管5和6的相同的情況。因此，阻止電流鏡像電路執行其初始功能，從而降低了用于控制功率晶體管2的控制電路的精度。結果，功率晶體管2的輸出電壓變成不穩定，例如，引起了音頻設備的聲音再現精度的惡化。
如上所述，在包括有產生了大量熱量的功率晶體管的半導體集成電路中其中需要高精度的比較器在其的操作上受到熱量的影響。這樣的原因之一在于在半導體集成電路的布局中到功率晶體管的距離、或用作半導體集成電路的材料的導熱性。因此，在半導體集成電路中，由于當比較器等的統一操作由于熱量而發生變化時所導致的閾值電壓中的變化，產生了偏移電壓。由于這個原因，應該適當注意其布局來設計半導體集成電路。
為了解決上述缺陷，根據在日本專利登記No.3400098中所述的傳統技術，通過確定其相對于熱量源元件的距離和/或方向來設置每一個溫度相關的元件，從而兩個或多個溫度相關的元件在特性上保持恒定的關系，即使在兩個或多個溫度相關的元件的溫度發生了改變的情況下。結果，兩個或多個溫度相關的元件在特性上保持彼此恒定的關系，而與由熱量源元件所產生的熱量無關。
然而，可能的是，由于環境因素的變化，未必能保持二個或多個溫度相關的元件中特性上的恒定關系，因此，所需的操作精度將會惡化。此外，為了嘗試解決這些缺陷，相反，對電路元件的布局設計施加了限制。
發明內容
本發明的一般目的是提出一種解決了前述問題的半導體集成電路。本發明更明確的目的是提供一種即使當溫度相關的電路元件的特性根據將熱產生電路元件和溫度相關的電路元件混合在一起的電路中的溫度變化而發生變化時，仍能夠保持操作的設計精度，而不會限制其中所設置的電路元件的布局。
為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，一種半導體集成電路包括半導體襯底；熱產生電路元件，在半導體襯底上按多層結構形成，并且在產生相對較高溫度的熱量的同時，執行預定的操作；多個溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，用于根據熱產生電路元件的溫度來執行預定的操作，所述電路元件的每一個均具有在溫度相關的特性上彼此恒定的關系；以及熱傳導層，具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并至少連續覆蓋熱產生電路元件的熱產生部分和多個溫度相關的電路元件，從而將由熱產生電路元件所產生的熱量傳導到多個溫度相關的電路元件。
按照該結構，由于用具有高于半導體襯底的傳導性的傳導性的材料的層覆蓋了熱產生電路元件和溫度相關的電路元件，由熱產生電路元件產生的熱量被有效和快速地傳導到溫度相關的電路元件。由此，例如，如果溫度相關的電路元件的目的是保護熱產生電路元件免于過熱，溫度相關的電路元件可以快速和精確地檢測熱產生電路元件的過熱溫度，以便保護熱產生電路元件免于過熱，從而針對過熱，增強了半導體集成電路的可靠性。
根據本發明的另一方面，一種半導體集成電路包括半導體襯底；熱產生電路元件，在半導體襯底上按多層結構形成，并且在產生相對高溫度的熱量的同時，執行預定的操作；多個溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，并在執行預定的操作的同時，保持在溫度相關的特性上彼此恒定的關系；以及熱傳導層，具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并連續覆蓋多個溫度相關的電路元件，從而將多個溫度相關的電路元件的每一個的溫度均勻地傳導和分配到多個溫度相關的電路元件的每一個。
按照該結構，由于用具有高于半導體襯底的傳導性的傳導性的材料的層覆蓋了溫度相關的電路元件，熱量在溫度相關的電路元件中均勻地傳導和分配。因此，保持了溫度相關的電路元件的特性上的恒定關系。這能夠減少操作中由熱量引起的變化。因此，能夠保持操作的所需精度，而與溫度的變化無關。
根據本發明的另一方面，一種半導體集成電路包括半導體襯底；熱產生電路元件，在半導體襯底上按多層結構形成，并且在產生相對高溫度的熱量的同時，執行預定的操作；多個第一溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，并根據熱產生電路元件的溫度來執行預定的操作，并且每一個電路均具有在溫度相關的特性上彼此恒定的關系；多個第二溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，并在執行預定的操作的同時，保持在溫度相關特性上彼此恒定的關系；第一熱傳導層，該熱傳導層具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并至少連續地覆蓋熱產生電路元件的熱產生部分和多個第一溫度相關的電路元件，從而將由熱產生電路元件產生的熱量傳導到多個第一溫度相關的電路元件；以及第二熱傳導層，具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并連續覆蓋多個第二溫度相關的電路元件，從而將多個第二溫度相關的電路元件的每一個的溫度均勻地傳導和分配到多個第二溫度相關的電路元件的每一個。
按照該結構，由熱產生電路元件釋放的熱量被有效和快速地傳導到第一溫度相關的電路元件。由此，例如，如果第一溫度相關的電路元件目的是用于保護熱產生電路元件免于過熱，第一溫度相關的電路元件可以快速和精確地檢測熱產生電路元件的過熱溫度，以保護熱產生電路元件免于過熱，從而針對過熱，增強了半導體集成電路的可靠性。同樣，按照該結構，熱量在第二溫度相關的電路元件中均勻地傳導和分配。因此，保持了第二溫度相關的電路元件的特性上的恒定關系。能夠減小將由熱量引起的操作上的變化。因此，能夠保持操作的所需的精度，而與溫度的變化無關。
從參考附圖結合優選實施例的以下描述中，本發明的上述和其它目的和特點將變得更加清楚，其中，圖1是示出了具體實現了本發明的半導體集成電路的電路布局的第一實例的圖；圖2是包括在該實施例的半導體集成電路中的N溝通MOS晶體管的橫截面圖；圖3是示出了具體實現了本發明的半導體集成電路的電路布局的第二實例的圖；圖4是示出了具體實現了本發明的半導體集成電路的電路布局的第三實例的圖；以及圖5是示出了在傳統半導體集成電路中的電源電路的布局的圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖來描述本發明的實施例。圖1是示出了具體實現了本發明的半導體集成電路的電路布局的第一實例的圖。該半導體集成電路在硅片1上設置有功率晶體管2；一對晶體管3和4，形成了用于保護功率晶體管2免于過熱的過熱保護電路的一部分；以及一對晶體管5和6，形成了用于控制功率晶體管2的控制電路的一部分。
該過熱保護電路按照以下方式設置，以使其包括比較器，用于檢測過熱溫度。該比較器將參考電壓與當諸如該對晶體管3和4的溫度相關的電路元件的特性根據溫度發生變化時改變的輸入電壓進行比較，并輸出所得到的電壓。該控制電路包括一對晶體管5和6，形成了用于控制功率晶體管2以使其輸出電壓穩定的電流鏡像電路。用金層7覆蓋功率晶體管2和該對晶體管3和4。另外，用金層8覆蓋該對晶體管5和6。
金的導熱性高于形成了熱傳導的通道的硅的導熱性。因此，由功率晶體管2產生的熱量有效地傳導到晶體管3和4。按照該布置，包括晶體管3和4的過熱保護電路可以精確且快速地檢測功率晶體管2的過熱溫度，從而保護功率晶體管2免于過熱，由此，針對過熱保護，導致了半導體集成電路的增強的可靠性。
現在，由于晶體管5和6形成了與通過檢測功率晶體管2的溫度來防止過熱的電路不同的控制電路，因此，不需要快速且精確地傳遞來自功率晶體管2中的熱量，如利用金層7所實現的那樣。在這種情況下，只要在晶體管5和6之間的關系針對其溫度保持恒定，就有可能實現精確的控制。由此，用金層8覆蓋晶體管5和6。按照上述布置，熱量被均勻地傳導和分配到晶體管5和6。這能夠在晶體管5和6之間保持特性上的恒定關系，并防止由于變化的溫度而引起的操作中的變化。因此，半導體集成電路可以其操作時的設計精度，而與由于功率晶體管2所引起的溫度改變無關，有助于增加半導體集成電路的總精度。
盡管通過采用諸如形成了電流鏡像電路的一對晶體管的晶體管5和6描述了本實例，但是本發明也可應用于兩個或多個溫度相關的電路元件，所述溫度相關的電路元件形成了其中需要高操作精度、并且應該在元件之間保持溫度相關的特性上的恒定關系的電路。在該實例中，盡管僅示出了功率晶體管2、晶體管3和4、以及晶體管5和6，實際上，在硅片1上也可布置多個其它的電路元件。此外，在硅片1上的電路元件的布局設計并不特別局限于圖1中所示的情況。
當熱量Q(W)正在經由具有導熱率λ(W/m·K)的材料傳導時的溫度差ΔT可以由下列公式來獲得。
T＝T1-T2＝(Q/λ)·(L/S)(℃)這里，S是熱傳導材料的橫截面積(m2)，L是通過其傳導熱量的距離(m)。根據該公式可以理解，為了使溫度差ΔT較小，即，為了快速地傳遞熱量，需要利用具有更高導熱率λ的材料。在硅的情況下，導熱率λ是1 57W/m·K，在金的情況下，導熱率λ是319W/m·K。這表示，由于金的導熱率大約是硅的導熱率的兩倍，在本實施例的半導體集成電路中相對于變化的溫度的穩定性的增加預計為大約二倍。
圖2是包括在本實施例的半導體集成電路中的N溝通MOS晶體管的橫截面圖。在圖2中，參考數字21表示P型硅片(襯底)；參考數字22表示場氧化層；參考數字23表示氧化物多晶硅；參考數字24表示層間絕緣層；參考數字25表示源極；參考數字26表示漏極；參考數字27表示柵極；參考數字28表示鋁電極；參考數字29表示由二氧化硅制成的層間絕緣層；參考數字30表示還充當保護和絕緣層的等離子體氮化層；以及參考數字31表示用于增加導熱率的金層。
在該實施例中，形成半導體集成電路的N溝道MOS晶體管的主要特點在于，在等離子體氮化層30的頂面上，即在最上面的保護和絕緣層的表面的頂部設置了金層。另外，除了通過硅片21傳導熱量之外，也通過作為最上面的層設置的、并且具有高導熱率的金層31來傳導熱量。因此，能夠快速和均勻地傳導熱量。同時，也能夠保護和增強半導體集成電路。
圖3是示出了具體實現了本發明的半導體集成電路的電路布局的第二實例的圖。該半導體集成電路硅片1上設置有功率晶體管2；一對晶體管3和4，形成用于保護功率晶體管2免于過熱的過熱保護電路的一部分；以及一對晶體管5和6，形成了用于控制功率晶體管2的控制電路的一部分。
該過熱保護電路按照以下方式配置，以使其包括比較器，用于檢測過熱溫度。該比較器將參考電壓與當諸如一對晶體管3和4的溫度相關的電路元件的特性根據溫度而發生變化時所改變的輸入電壓進行比較，并輸出所得到的電壓。該控制電路包括該對晶體管5和6，形成了用于控制功率晶體管2以使其輸出電壓穩定的電流鏡像電路。用金層9覆蓋功率晶體管2和該對晶體管3和4。另外，用金層8覆蓋該對晶體管5和6。
在該實例中示出了以下情況，其中，功率晶體管2的熱產生部分集中在圖3中所看到的右側上，并布置了金層9，以覆蓋在功率晶體管2的右側上的相應部分。如所示的，如果在熱產生電路元件的特定部分產生了熱量，則不需要全部覆蓋功率晶體管2。因此，在該實例中，獲得了與圖1所示的第一實例類似的結果，并減小了金層9的面積，從而節省了金。
圖4是示出了具體實現了本發明的半導體集成電路的電路布局的第三實例的圖。該半導體集成電路硅片1上設置有功率晶體管2；一對晶體管3和4，形成了用于保護功率晶體管2免于過熱的過熱保護電路的一部分；以及一對晶體管5和6，形成了用于控制功率晶體管2的控制電路的一部分。
該過熱保護電路按照以下方式配置，以使其包括比較器，用于檢測過熱溫度。該比較器將參考電壓與當諸如一對晶體管3和4的溫度相關的電路元件的特性根據溫度發生變化時所改變的輸入電壓進行比較，并輸出所得到的電壓。該控制電路包括該對晶體管5和6，形成了用于控制功率晶體管2以使其輸出電壓穩定的電流鏡像電路。用金層10覆蓋功率晶體管2和該對晶體管3和4。另外，用金層8覆蓋該對晶體管5和6。
按照該實例，與在第一和第二實例中所示的晶體管3和4相比，使該對晶體管3和4位置更靠近功率晶體管2。在該布局中，熱量是從功率晶體管2中充分傳導的，而不使用金層。然后，如果在晶體管3和4的溫度之間存在變化，則操作精度會發生惡化。由此，金層10未覆蓋功率晶體管2，只覆蓋了晶體管3和4。通過用金層10覆蓋晶體管3和4，使熱量在晶體管3和4之間均勻分配。
如果晶體管3和4不是如第一和第二實例所描述的那樣通過檢測功率晶體管2的溫度而不操作的晶體管，并且將保持晶體管3和4之間的溫度相關特性上的恒定關系，如應用于晶體管5和6那樣，則，可以設置金層10單獨覆蓋晶體管3和4，而不覆蓋功率晶體管2，從而使熱量在晶體管3和4之間均勻分配。按照該布置的結果，保持了在晶體管3和4之間特性上的恒定關系，從而可以防止由熱量引起的操作上的改變。因此，該半導體集成電路可以保持操作上的設計精度，有助于提高操作上的總體精度。由于一對晶體管5和6也用金層8覆蓋，可以實現同樣的效果。
上述全部實例涉及專設計用來覆蓋電路元件的金層。然而，不僅限于金層，如果這樣做不妨礙連接，也能夠電隔離和使用用于連接電路元件的接線層的一部分，代替前述的金層。在這種情況下，如果布線層不是形成最上面的層，可以略微降低保護和增強半導體集成電路的程度。然而，由于該方法有助于節省前述的金和不需要額外的金層，能夠簡化半導體集成電路的結構，并且以較低成本制造其。還能夠使用諸如具有高于硅的導熱率并且比金便宜的銀、鋁、銅、鎢的其它材料代替金。在這種情況下，可以以較低的成本來制造半導體集成電路。
作為覆蓋如功率晶體管2這樣的熱產生電路元件的金層將至少覆蓋熱產生電路元件的熱產生部分。當金層覆蓋形成了諸如一對晶體管3和4、晶體管5和6的溫度相關的電路元件時，在相同條件下，在所述對中的元件應該接收到充分的熱量。由此，至少該對中的元件應該用連續的金層來覆蓋，以及至少形成每一個元件的所有部分應該用金層完全覆蓋。還要注意的是，用于傳導熱的金層或由其它材料制成的層沒用與電路元件電連接，以消除由在電連接部分上的熱量造成的不利影響。
顯而易見，根據上述教導，本發明的許多修改和變化均是可行的。因此，應該意識到，本發明不限于如上所述的實施例，并且在所附權利要求的范圍內，可以按除了所具體描述之外的其他方式來實施本發明。
權利要求
1.一種半導體集成電路，包括半導體襯底；熱產生電路元件，在半導體襯底上按多層結構形成，并且在產生相對較高溫度的熱量的同時，執行預定的操作；多個溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，用于根據熱產生電路元件的溫度來執行預定的操作，所述電路元件的每一個均具有在溫度相關的特性上彼此恒定的關系；以及熱傳導層，具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并至少連續覆蓋熱產生電路元件的熱產生部分和多個溫度相關的電路元件，從而將由熱產生電路元件所產生的熱量傳導到多個溫度相關的電路元件。
2.根據權利要求1所述的半導體集成電路，其特征在于，所述熱產生電路元件是功率晶體管，以及所述多個溫度相關的電路元件是晶體管，形成了用于通過檢測功率晶體管的溫度狀況來保護功率晶體管免于過熱的過熱保護電路。
3.根據權利要求2所述的半導體集成電路，其特征在于，所述過熱保護電路包括比較器，用于接收根據功率晶體管的溫度狀況而變化的電壓，作為一個輸入，并且接收參考電壓，作為另一輸入。
4.根據權利要求1所述的半導體集成電路，其特征在于所述熱傳導層為在多層結構中作為最上面的層而形成的金層。
5.根據權利要求1所述的半導體集成電路，其特征在于所述熱傳導層是形成來連接在半導體集成電路中所形成的電路元件的接線層的一部分。
6.一種半導體集成電路，包括半導體襯底；熱產生電路元件，在半導體襯底上按多層結構形成，并且在產生相對高溫度的熱量的同時，執行預定的操作；多個溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，并在執行預定的操作的同時，保持在溫度相關的特性上彼此恒定的關系；以及熱傳導層，具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并連續覆蓋多個溫度相關的電路元件，從而將多個溫度相關的電路元件的每一個的溫度均勻地傳導和分配到多個溫度相關的電路元件的每一個。
7.根據權利要求6所述的半導體集成電路，其特征在于，所述熱傳導電路元件是功率晶體管，以及所述多個溫度相關的電路元件是晶體管，形成了用于執行控制以使功率晶體管的輸出電壓穩定的控制電路。
8.根據權利要求7所述的半導體集成電路，其特征在于，所述控制電路包括電流鏡像電路。
9.根據權利要求6所述的半導體集成電路，其特征在于，所述熱傳導層為作為多層結構中最上面的層形成的金層。
10.根據權利要求6所述的半導體集成電路，其特征在于，所述熱傳導層是形成來連接在半導體集成電路中形成的電路元件的接線層的一部分。
11.一種半導體集成電路，該半導體集成電路包括半導體襯底；熱產生電路元件，在半導體襯底上按多層結構形成，并且在產生相對高溫度的熱量的同時，執行預定的操作；多個第一溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，并根據熱產生電路元件的溫度來執行預定的操作，并且每一個電路均具有在溫度相關的特性上彼此恒定的關系；多個第二溫度相關的電路元件，每一個均在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，并在執行預定的操作的同時，保持在溫度相關特性上彼此恒定的關系；第一熱傳導層，該熱傳導層具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并至少連續地覆蓋熱產生電路元件的熱產生部分和多個第一溫度相關的電路元件，從而將由熱產生電路元件產生的熱量傳導到多個第一溫度相關的電路元件；以及第二熱傳導層，具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并連續覆蓋多個第二溫度相關的電路元件，從而將多個第二溫度相關的電路元件的每一個的溫度均勻地傳導和分配到多個第二溫度相關的電路元件的每一個。
12.根據權利要求11所述的半導體集成電路，其特征在于，所述熱傳導電路元件是功率晶體管；所述多個第一溫度相關的電路元件是晶體管，形成了通過檢測功率晶體管的溫度狀況來保護功率晶體管免于過熱的過熱保護電路；以及所述多個第二溫度相關的電路元件是晶體管，形成了用于執行控制以使功率晶體管的輸出電壓穩定的控制電路。
13.根據權利要求12所述的半導體集成電路，其特征在于，所述過熱保護電路包括比較器，用于接收根據功率晶體管的溫度狀況改變的電壓，作為一個輸入，并且接收參考電壓，作為另一輸入；以及所述控制電路包括電流鏡像電路。
14.根據權利要求11所述的半導體集成電路，其特征在于，所述第一熱傳導層和第二熱傳導層為作為多層結構中最上面的層形成的金層。
15.根據權利要求11所述的半導體集成電路，其特征在于，所述第一熱傳導層和第二熱傳導層是形成來連接在半導體集成電路中形成的電路元件的接線層的一部分。
全文摘要
一種半導體集成電路，包括半導體襯底；熱產生電路元件，其在半導體襯底上按多層結構形成，并且在產生相對高溫度的熱量的同時，執行預定操作；多個溫度相關的電路元件，每一個都在半導體襯底上的預定的位置處按多層結構形成，根據熱產生電路元件的溫度來執行預定的操作，并且每一個都具有在溫度相關的特性上彼此恒定的關系；熱傳導層，其具有高于半導體襯底的導熱率的導熱率，并至少連續覆蓋熱產生電路元件的熱產生部分和多個溫度相關的電路元件，以將由熱產生電路元件產生的熱量傳導到多個溫度相關的電路元件。按照該結構，該半導體集成電路可以保持其所需的操作精度，而與溫度上的改變無關。
文檔編號H01L23/34GK1591828SQ200410075169
公開日2005年3月9日 申請日期2004年9月2日 優先權日2003年9月2日
發明者大久保卓也, 酒井優 申請人:羅姆股份有限公司