[发明专利]对在半导体芯片中的环境状况的检测

说明书

对有关申请的交叉引用 

本申请要求了2012年3月16日提交的美国临时申请No.61/611,755的优先权的权益，为所有目的通过引用而在此将其内容整体并入。

技术领域

组装在先进封装中的半导体芯片可能在制造和测试期间以及在最终用户环境中经受重大的机械压力、机械应力、湿度和/或温度循环。这可导致例如由连接级、器件/晶体管级和/或芯片衬底本身中的裂缝以及层离所引起的芯片故障。使用先进技术节点（比如包括Cu/低k互连的节点）的芯片由于密集且多孔的低k材料的固有机械缺点而甚至更易于故障。 

诸如低k电介质的一些材料对诸如水的湿气的侵入和扩散尤其敏感。这样的湿气侵入可由于水分子的高的极性而增加k值（电介质常数），并且可导致RC延迟增加、信号降级、互连电容负载增加、寄生功率损失、和/或互连腐蚀。 

对于诸如功率芯片的一些芯片，温度变化可导致芯片封装内侧的芯片的重大翘曲，比如通过以达到大约2μm的中心边缘差从-55℃处的凸起变形变化到+150℃处的凹入变形。该翘曲可在芯片内引起大的固有应力和张力，其转而可导致芯片的早期故障或降级。 

已经提出的是，压电电阻器可被嵌入在芯片衬底中以测量应力级。然而，这些很可能将仅具有对互连或后段制程（BEOL）栈中（比如更弱的Cu/低k级之一中）的本地化芯片/封装相互作用应力的边际敏感度。而且，这样的电阻器很可能将不检测诸如机械压力或湿度的其他因素。 

发明内容

这里描述了革新的电容传感器和测量电路，其可以能够再生地测量极小电容及其变化。该电容可以根据本地环境状况，比如机械应力（例如翘曲或剪应力）、机械压力、温度和/或湿度，而变化。已经周知的是，一般而言，电容可具有根据这样的变量而变化的电容。因此，可能所期望的是，提供集成到半导体芯片中的电容器，该电容器足够小且对精确测量预期半导体芯片所经历的状况敏感。 

电容器可以是个别电容器，或其可以是穿过半导体芯片的一个或多个部分的以二维或三维分布的较大量电容器（例如阵列）的一部分。通过以分布式的方式提供多个电容，也可以确定芯片的各种位置内的本地状况。该一个或多个电容可以被放置在相对于芯片的其他元件的特定战略位置中，比如邻近芯片的密封环（湿气屏障）。电容的这样的战略定位可增加其提供早期检测特定状况的能力，比如早期检测穿过密封环的湿度渗透。 

由于电容器可提供极小的电容及其变化，这里描述了可能能够更加精确且可靠地测量这种极小电容和变化的专门电路。标准电容测量电路可能是不足够的。 

测量的电容和/或环境状况可由芯片用于触发一个或多个动作，比如给芯片用户或周围器件提供迫近芯片故障警告信号，当芯片将很可能故障时提供数据预测，和/或修改芯片的功能。在并入芯片的周围器件接收这样的信号的情况下，该器件可能能够通过进行诸如增加芯片的冷却和/或给器件的用户提供指示的对策而应答。所测量的电容和/或环境状况可以进一步被存储在芯片内的存储器中，以提供那些电容和/或环境状况的历史。所存储的历史数据和/或在所存储的历史数据中检测的趋势可附加地或可替换地用于触发一个或多个动作。 

尽管对迫近芯片故障的早期监控和警告可能在任何芯片应用中有用，但是其可能尤其在要求可靠性增加和最小停工期的特定芯片应用中有用。这样的芯片应用可包括但不限于服务器、汽车、安全性、和医疗应用。然而，这里描述的概念可用于任何芯片应用中的任何芯片，比如不限于微处理器、微控制器、通信芯片、存储器等。 

在考虑随后的详细描述时这些和其他方面将是清楚的。 

附图说明

通过参考考虑了附图的附后的说明书来获取对本公开和这里描述的各种方面的潜在优点的更完整的理解，在附图中，类似的参考标记指明类似的特征，并且其中： 

图1是具有分布在整个芯片上的传感电容器的半导体芯片的例子的平面图；

图2是图1的半导体芯片的侧剖视图；

图3是用于检测和利用来自传感电容器的电容测量的示例系统的框图；

图4是可用于测量电容器的电容的示例传感电路的示意图；

图5是比较用于测量电容的各种技术的示例近似模拟性能的曲线图；

图6是比较传统技术和这里描述的技术之间的进一步的示例近似模拟性能的另一曲线图；

图7-13是半导体芯片内的传感电容器和有关电路的示例布局布置的平面图；

图14-17是传感电容器的示例构造的侧剖视图；和

图18A-18H以及18J-18L是传感电容器的示例构造的平面图。