應力補償振蕩器電路系統和使用該電路系統的集成電路的制作方法
【專利摘要】一種應力補償振蕩器電路系統包括：用于提供傳感器輸出信號SSensor的傳感器裝置，其中，所述傳感器輸出信號SSensor基于在半導體襯底中的瞬時應力或應變分量σ；用于處理傳感器輸出信號SSensor和取決于在半導體襯底中的瞬時應力或應變分量σ提供控制信號SControl的處理裝置；以及用于基于控制信號SControl提供具有振蕩器頻率fOSC的振蕩器輸出信號SOSC的振蕩器裝置，其中控制信號SControl控制振蕩器輸出信號SOSC，并且其中控制信號SControl減小在半導體襯底中的瞬時應力或應變分量σ對振蕩器輸出信號SOSC的影響，使得振蕩器電路系統提供應力補償振蕩器輸出信號。
【專利說明】
應力補償振蕩器電路系統和使用該電路系統的集成電路
技術領域
[0001] 本發(fā)明的實施例涉及集成電路的領域，并且更具體地涉及應力補償振蕩器電路系 統和使用該電路系統的集成電路的領域。此外，本發(fā)明的實施例涉及具有機械應力/應變補 償的片上振蕩器。
【背景技術】
[0002] 集成電路系統或集成電路（1C)通常安裝在塑料封裝中以保護敏感的集成電路系 統免于環(huán)境影響。然而，在塑料封裝中安裝集成電路系統可以對半導體材料施加相當大的 機械應力，并且因此對集成電路系統的半導體襯底施加相當大的機械應力。
[0003] 存在于半導體襯底的半導體材料中且作用于集成電路系統的機械應力或機械應 變通常難以再現，因為機械應力取決于針對半導體襯底和針對封裝使用的材料的組合，并 且此外，取決于集成電路本身的封裝工藝。
[0004] 因此，機械應力問題由封裝、焊接、塑料封裝中的濕度改變、管芯(半導體襯底）的 彎曲效應、對鄰近器件的溝槽影響等引起。機械不穩(wěn)定性導致參考電路中的電流和電壓改 變以及導致無源部件(如片上電感器、電容器及電阻器)和有源部件(例如，晶體管、二極管 等）的改變，該改變?yōu)榉謩e由無源和有源部件中的應力或應變誘發(fā)的壓電效應引起的標稱 值的大約3%。
[0005] 總之，機械應力似乎是終生效應，但實際上集成電路的行為的偏移效應的90%由封 裝、焊接、濕度和管芯（即，半導體襯底)上的溫度梯度引起，因為塑料封裝的膨脹導致芯片 的彎曲。
[0006] 因此，到目前為止，可以實現在集成電路系統的壽命和溫度范圍內的僅1%到3%的 準確性和穩(wěn)定性，即使用對晶片的修整方案。
[0007] 因此，存在對改進的集成電路的需要，該集成電路以高精度和高壽命穩(wěn)定性連同 非常低的溫度偏移和低功率或相位噪聲來工作。因此，針對沒有外部部件的片上振蕩器的 準確和便宜的低功率或低相位噪聲為具有數字協議或RF接口的許多集成電路（1C)所需 要。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的實施例提供了應力補償振蕩器電路系統，包括：用于提供傳感器輸出信 號SSenscir的傳感器裝置，其中，所述傳感器輸出信號S Senscir基于在半導體襯底中的瞬時應力 或應變分量σ;用于處理傳感器輸出信號&_。4卩取決于在半導體襯底中的瞬時應力或應變 分量σ提供控制信號S Ccintell的處理裝置;以及用于基于控制信號SCcintol提供具有振蕩器頻率 f 0SC的振蕩器輸出信號Sosc的振蕩器裝置，其中控制信號Scontrol控制振蕩器輸出信號Sosc(例 如，振蕩器輸出信號Sosc的振蕩器頻率S QSC或幅度AQSC)，并且其中，控制信號^^堿小在半 導體襯底中的瞬時應力或應變分量σ對振蕩器輸出信號Sosc的影響，使得振蕩器電路系統提 供應力補償振蕩器輸出信號。
[0009] 本發(fā)明的實施例還提供了包括應力補償振蕩器電路系統的集成電路，該應力補償 振蕩器電路系統具有：用于提供傳感器輸出信號s Senscir的傳感器裝置，其中，所述傳感器輸 出信號Ssensor基于在半導體襯底中的瞬時應力或應變分量〇 ;用于處理傳感器輸出信號 sSe3nscir和取決于在半導體襯底中的瞬時應力或應變分量σ提供控制信號S Ccintrcil的處理裝置； 以及用于基于控制信號提供具有振蕩器頻率fQSC的振蕩器輸出信號S QSC的振蕩器裝 置，其中控制信號Scontrol控制振蕩器輸出信號Sosc(例如，振蕩器輸出信號Sosc的振蕩器頻率 Sosc或幅度Aosc)，并且其中控制信號Scontrol減小在半導體襯底中的瞬時應力或應變分量σ對 振蕩器輸出信號Sosc的影響，使得振蕩器電路系統提供應力補償振蕩器輸出信號；以及用于 基于由應力補償振蕩器電路系統提供的應力補償振蕩器輸出信號執(zhí)行處理操作的處理電 路系統。
【附圖說明】
[0010] 為了更完全理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現在對與附圖結合做出的下面描述進行參考， 在附圖中： 圖1示出了根據本發(fā)明的實施例的應力補償振蕩器電路系統的示意框圖； 圖2a-b示出了在半導體襯底的表面平面中的晶向的一般定義； 圖3示出了根據本發(fā)明的實施例的集成電路的示意框圖； 圖4示出了示范性(張弛)振蕩器的振蕩器輸出頻率與半導體襯底中的X和y方向上的不 同應力分量的相關性的圖形說明； 圖5a示出了根據本發(fā)明的實施例的具有不同示范性傳感器元件的傳感器裝置的不同 實施方式的示意框圖； 圖5b示出了根據本發(fā)明的實施例的傳感器布置的示范性傳感器元件的示意實施方式； 圖6a示出了根據本發(fā)明的實施例的傳感器裝置的示范性傳感器元件的示意頂視圖說 明和布置在傳感器元件附近的深溝槽對作用在傳感器元件上的不同應力分量以及對傳感 器元件的不同壓電系數的影響的示意頂視圖說明； 圖6b示出了根據本發(fā)明的實施例的傳感器裝置的示范性傳感器元件的示意橫截面說 明和布置在示范性傳感器元件附近的深溝槽對作用在傳感器元件上的不同應力分量以及 對傳感器元件的不同壓電系數的影響的示意橫截面說明； 圖7示出了根據本發(fā)明的實施例的形式為應力敏感電流鏡電路的傳感器裝置的實施方 式的示意圖； 圖8a示出了根據本發(fā)明的實施例的具有經由數字分數值的應力補償的PLL振蕩器的示 意框圖； 圖8b示出了根據本發(fā)明的實施例的針對具有經由數字分數值的應力補償的PLL振蕩器 的示范性分數PLL的示意框圖； 圖9示出了根據本發(fā)明的實施例的直接應力補償LC振蕩器的示意框圖； 圖10a示出了根據本發(fā)明的實施例的具有針對積分器電流的校正DAC的應力補償振蕩 器的示意框圖； 圖10b示出了根據本發(fā)明的實施例的通過使用具有不同應力分量的器件的組合而具有 應力補償積分器電流的張弛振蕩器的示意框圖；以及 圖。 圖11示出了根據本發(fā)明的實施例的具有應力傳感器和溫差傳感器的LC振蕩器的示意
【具體實施方式】
[0011]在使用附圖更詳細地討論本發(fā)明之前，要指出的是，在附圖中同樣元件和具有相 同功能和/或相同的技術或物理效應的元件被提供有相同的參考數字，使得在不同實施例 中圖示的這些元件及其功能的描述是相互可交換的，或者可以在不同的實施例中彼此應 用。
[0012]更具體地說，下面詳細討論本發(fā)明的實施例，然而，應當領會的是，本發(fā)明提供了 許多適用的發(fā)明概念，其可以被體現在各種各樣的具體聯系中。所討論的具體實施例僅僅 說明制作和使用本發(fā)明的具體方式，并且不限制本發(fā)明的范圍。在對實施例的下面描述中， 具有相同功能的相同或類似元件具有與之相關聯的相同參考標記，并且對每個實施例將不 重復對這樣的元件的描述。
[0013]在下文中，將關于在集成振蕩器電路(例如LC或PLL振蕩器電路）的上下文中的實 施例描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明也可以被應用于其它集成電路，如任何集成電路，其輸出信 號不旨在是依賴于物理輸入信號（例如要被測量的信號，諸如外部磁場或溫度或傳感器信 號電壓）的信號。發(fā)明概念也可以應用于穩(wěn)定電壓或電流參考或基于電阻器或電容器值的 參考。
[0014] 圖1是用于提供應力補償振蕩器輸出信號Sos。的應力補償(集成)振蕩器電路系統 10的示意框圖。應力補償振蕩器電路系統10包括傳感器裝置100,并且配置成提供傳感器輸 出信號Ssens。!·，其中傳感器輸出信號S se_r基于在半導體襯底20中的瞬時應力或應變分量〇。
[0015] 應力補償振蕩器電路系統10還包括處理(呈現)裝置200,其配置成處理或呈現傳 感器輸出信號Ssmsor并且配置成取決于在半導體襯底20中的瞬時應力或應變分量(如由傳 感器裝置1〇〇測量)提供控制信號
[0016] 應力補償振蕩器電路系統10還包括振蕩器裝置300,其配置成提供具有振蕩器頻 率f CISC的振蕩器輸出信號s。％，其中振蕩器輸出信號基于來自處理裝置200的控制信號 Scontrol 〇
[0017] 控制信號Secured(由處理裝置200提供給振蕩器裝置300的控制輸入端（未示出在 圖1中）)控制振蕩器輸出信號s_ (例如，振蕩器輸出信號Sosc的振蕩器頻率fosc或振蕩器幅 度a。％)，其中控制信號。。^^減小半導體襯底中的瞬時應力或應變分量（如由傳感器裝置 100測量)對振蕩器輸出信號s。％(例如，對振蕩器輸出信號Seise的振蕩器頻率f CISC或振蕩器幅 度aQS。)的影響，使得振蕩器電路系統10提供應力補償振蕩器輸出信號S_。
[0018] 傳感器裝置100、處理裝置200和振蕩器裝置300可以被布置或集成在相同半導體 襯底20上。
[0019] 如以上指示的，由處理裝置提供的控制信號s_trQl在傳感器輸出信號Sse_ r的基 礎上被處理或呈現，并且控制振蕩器裝置，以便減小在半導體襯底中的瞬時應力或應變分 量(如由傳感器裝置100測量)對振蕩器輸出信號S。％的影響。因此，振蕩器電路系統10提供 了應力補償振蕩器輸出信號S QUt。因此，應力補償振蕩器電路系統的輸出信號在不受在半導 體襯底20中的瞬時應力或應變分量的影響的公差范圍內。
[0020] 關于以上指示的"公差范圍"，要指出的是，在本領域中存在與在物理學的所有領 域中的理論理想情況的偏差，根據本發(fā)明補償概念的功能的這些偏差僅需要足夠小，即，在 半導體襯底中的瞬時應力或應變分量對振蕩器輸出信號Sosc的振蕩器頻率f CISC或振蕩器幅 度a。％的影響被減小至少50%、80%、90%、99%、99 · 9%，即處于與理想(不受應力影響）的振蕩器 輸出信號的50%、20%、10%、1 %或0.1 %的公差范圍內。
[0021] 此外，為了便于理解用于提供應力補償振蕩器輸出信號的半導體襯底上本發(fā)明的 應力補償振蕩器電路系統的下面詳細描述，提供了關于以下使用的定義的圖2a-b的簡要表 示，該以下使用的定義涉及所使用的半導體材料和關于半導體材料的晶體取向的在半導體 材料上的預定義方向。半導體表面(管芯或晶片表面)與晶面相關聯。為了確定立方晶體的 相應平面，使用所謂的密勒指數，其被指示在背景中（下面）。例如，圖2a示出了在（100)平面 中切入的例如半導體晶片的平面視圖。
[0022]在晶片平面中的主晶向關于硅晶片處的所謂"主平坦部"被標記在圖2a_b中。通 常，半導體芯片上的電路結構的矩形幾何形狀邊緣與主平坦部平行和/或垂直于主平坦部 延伸。在圖2a中，特別地，晶向和/或晶軸被表示在半導體晶片的平面中，這些在下面被表 示在方括號中。坐標系通常被采用，以使得[110]方向垂直于主平坦部延伸，而[110]方向與 主平坦部平行延伸。這里，方向[010]和[100]以相對于[110]方向的+/-45°的角度延伸。
[0023] 另外，角度Φ是相對于[110]方向定義的，角度Φ是在晶片的頂側的平面視圖中從 [110]方向開始以逆時針的方式計算的。通常，個體芯片位于晶片處，使得方向Φ= 0°和Φ = 90°分別對應于1C垂直和水平方向。
[0024] 因為封裝的集成電路芯片通常以分層的方式來結構化，所以對平面應力條件的限 制是可能的，即對兩個正應力分量σχχ, σγγ和一個切應力分量〇xy的限制，如圖2b中不范 性圖示的那樣。根據定義，X軸和y軸布置成與半導體襯底的邊緣平行。剩余應力分量基本上 是小到可以忽略的，并且僅對電子電路部件有較小影響。在離半導體芯片的邊緣的足夠大 的距離處并且特別是在半導體襯底的中心中，切應力分量σχγ通常小到可以忽略。因此，基本 上僅兩個正應力分量(^和^咐仍被考慮。
[0025] 此外，在半導體襯底的半導體材料的半導體材料中存在各種壓電效應，諸如壓阻 效應、壓電M0S效應、壓電結型效應、壓電霍爾效應和/或壓電隧道效應。這些壓電效應中的 每個可能由于在集成電路操作期間集成電路的半導體襯底中的機械應力而單獨或組合地 對集成電路的相關電氣和/或電子參數有影響。關于下面描述，一般術語"在半導體襯底中 的瞬時應力或應變分量"（即，壓電效應以及還有純應變效應)一般指代在半導體材料中的 機械應力的影響下集成在半導體襯底中的電路系統的電氣和/或電子參數的改變。
[0026] 在半導體材料中的機械應力導致電荷載流子的關于電荷載流子輸運的性質（諸 如，迀移率、碰撞時間、散射因子等）的變化。更一般地來說，壓阻效應確定相應的半導體材 料的具體歐姆電阻在機械應力的影響下將如何表現。壓電結型效應例如導致二極管和雙極 晶體管的特性的改變。壓電隧道效應發(fā)生在反向操作、高摻雜、淺橫向ρη結處。該電流由帶 間隧道效應支配，并且也取決于應力。因此，作為傳感器裝置100的傳感器(例如壓電應力傳 感器)的傳感器輸出信號可以用于補償壓電應力的影響。
[0027] 根據實施例，傳感器裝置100的壓電應力傳感器的傳感器輸出信號SsensQr也可以用 來補償應變效應。更具體說，（LC)振蕩器的金屬電感線圈的擴展例如僅根據芯片(=半導體 襯底)彎曲而變化。然而，可以忽略在金屬線圈中的壓電效應。僅僅由于芯片彎曲，線圈元件 的大小改變，并且因此它的電感以及導電跡線的寬度和相應地其內部電阻改變。這些效應 是純應變效應，并且由于胡克定律可描述(彈性形變的情況）。
[0028] 根據實施例，處理裝置200可以配置成考慮塑性形變情況和粘彈性形變情況，其中 溫度和應力的歷史由傳感器裝置100檢測并且被鎖存在與處理裝置200相關聯的存儲器(未 示出在圖1中）中，其中基于存儲在存儲器中的信息和由傳感器裝置100測量的瞬時應力或 應變分量，處理裝置200可以生成和提供控制信號(例如，校正信號），其中可能包括多個部 分控制信號或不同的校正信號的控制信號取決于測量的應力或應變的方向和在半導體襯 底中的溫度偏差(或溫度梯度）。
[0029] 根據實施例，傳感器裝置、處理裝置和振蕩器裝置被集成在相同半導體襯底上。
[0030] 根據實施例，該傳感器裝置包括多個傳感器元件，每個傳感器元件感測在半導體 材料20中的瞬時應力或應變分量σ。
[0031] 根據實施例，多個傳感器元件配置成感測彼此正交的和在關于半導體襯底表面的 平面中的瞬時應力和應變分量σχχ， 〇yy。
[0032] 根據實施例，多個傳感器元件是壓電敏感傳感器元件。
[0033] 根據實施例，壓電敏感傳感器元件在半導體材料中關于半導體材料的表面橫向 和/或垂直延伸，并且具有高的溫度系數同步，例如在1〇%、5%或更少(+/-10%，+/_5%或更少） 的公差范圍內。
[0034] 根據實施例，多個傳感器元件包括L形傳感器元件并且跨半導體襯底的表面空間 分布。
[0035] 根據實施例，L形傳感器元件是壓電敏感的擴散電阻器，其例如具有所產生的應力 系數，該系數獨立于在半導體襯底中的影響應力或應變的方向。
[0036] 根據實施例，該多個壓電敏感傳感器元件包括具有第一應力系數的第一數目的壓 電敏感傳感器元件，并且包括具有第二應力系數的第二數目的壓電敏感傳感器元件，其中 第一和第二應力系數是不同的。
[0037] 根據實施例，第一數目的壓電敏感傳感器元件提供具有第一應力分量相關性的第 一應力相關傳感器信號，并且第二數目的壓電敏感傳感器元件提供具有第二應力分量相關 性的第二應力相關傳感器輸出信號，其中第一應力相關信號具有關于半導體襯底中的正應 力分量總和(σ χχ + 〇yy)的應力分量相關性，并且其中第二數目的壓電敏感傳感器元件提供 具有關于半導體襯底中的正應力分量差(σ χχ - 〇yy)的應力分量相關性的第二應力相關信 號。
[0038] 根據實施例，該應力補償振蕩器電路系統還包括在半導體襯底上或半導體襯底中 的溫度傳感器元件，用于提供關于半導體襯底的瞬時溫度的溫度傳感器信號。
[0039] 根據實施例，該溫度傳感器裝置包括空間分布在半導體襯底的表面之上的多個溫 度傳感器元件。
[0040] 根據實施例，多個溫度傳感器元件形成溫差傳感器裝置。
[0041] 根據實施例，該處理裝置配置成執(zhí)行前饋傳感器輸出信號處理，即沒有反饋回路， 用于將控制信號作為應力補償信號提供給振蕩器裝置。
[0042] 根據實施例，該處理裝置配置成檢索查找表或基于傳感器輸出信號計算多項式函 數，以便確定控制信號。
[0043]根據實施例，該處理裝置配置成處理傳感器輸出信號，以便提供作為多個部分控 制信號的組合的控制信號，其中每個部分控制信號控制振蕩器輸出信號的振蕩器頻率，并 減小在半導體襯底中的不同瞬時分量對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的影響。
[0044]根據實施例，該處理裝置處理第一和第二應力相關傳感器信號以提供第一和第二 (部分)控制信號(分離振蕩器的X應力和Y應力相關性），其中第一控制信號被處理以減小振 蕩器裝置的X應力相關性，其中第二控制信號被處理以減小振蕩器裝置的Y應力相關性。 [0045]根據實施例，該處理裝置配置成處理傳感器輸出信號以便提供控制信號，其中控 制信號包括第一 (X控制信號）和第二(y控制信號）部分控制信號以針對半導體襯底中的振 蕩器裝置的不同應力分量相關性提供第一和第二(不同）部分校正信號。
[0046]根據實施例，該處理裝置配置成處理來自多個溫度傳感器元件的傳感器輸出信號 以確定針對半導體襯底中的溫度梯度誘發(fā)的溫度相關應力效應，并且提供控制信號，該控 制信號減小半導體材料中瞬時溫度或溫度梯度對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的影響，使 得針對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的熱梯度誘發(fā)的應力效應被減小或補償。
[0047]根據實施例，振蕩器裝置包括分數PLL回路中的振蕩器，其中分數PLL回路具有(例 如數字)分數分頻器，其中該處理裝置配置成處理傳感器輸出信號，并且提供控制信號，其 中控制信號控制振蕩器裝置的分數PLL回路的分數分頻器，以便減小半導體襯底中的瞬時 應力分量對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的影響。
[0048]根據實施例，振蕩器裝置包括:直接應力補償LC振蕩器或具有用于偏置電流、可切 換電容和/或電壓相關電容的校正DAC的應力補償振蕩器。
[0049]根據實施例，振蕩器裝置包括利用應力補償積分器電流或應力補償參考電壓或應 力補償集成電容的張弛振蕩器。
[0050] 根據實施例，該處理裝置配置成提供多個部分控制信號以調整至少兩個下面的電 氣特性的組合，電氣特性包括積分器電流、參考電壓和/或積分器電容，以便減小半導體襯 底中的瞬時應力分量對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的影響。
[0051] 根據實施例，集成電路包括應力補償振蕩器電路系統，以及用于基于或使用由應 力補償振蕩器電路系統提供的應力補償振蕩器輸出信號執(zhí)行處理操作的處理電路系統。 [0052]根據實施例，將應力補償振蕩器電路系統和處理電路系統集成在相同半導體襯底 上。
[0053]根據實施例，應力補償振蕩器電路系統的處理裝置和處理電路系統在半導體襯底 上通常共享或雙重使用集成硬件。
[0054]根據實施例，應力補償振蕩器電路系統的處理裝置和處理電路系統通常使用具有 在相同半導體襯底上定義的溫度系數的ADC溫度傳感器、電壓參考、電壓供給和。
[0055]本發(fā)明的實施例是有優(yōu)勢的，因為它們提供應力補償振蕩器電路系統，用于提供 具有高精度和壽命穩(wěn)定性結合非常低的溫度偏移和低功率或相位噪聲的（應力補償)振蕩 器輸出信號f osc。因此，根據本發(fā)明的實施例，沒有外部部件的準確和便宜的、低功率噪聲 或低相位噪聲片上振蕩器對于具有數字協議或RF接口的大量各種不同集成電路是可實現 和可行的。根據實施例，甚至在不對晶片進行修整的情況下，可以實現在壽命和溫度范圍內 的非常高的精度和穩(wěn)定性。
[0056] 基于發(fā)明概念，現在有可能取代晶體振蕩器，以便可以避免附加的引腳和昂貴的 外部部件。
[0057] 此外，根據發(fā)明概念，用于補償封裝效應的以預定頻移對晶片的修整可以被避免。 根據發(fā)明概念，不僅可以對系統的改變進行補償，而且可以考慮頻移的非統計傳播。此外， 可以預先補償不可預知的壽命變化。
[0058] 此外，實施例是有優(yōu)勢的，因為它們提供了對外部時鐘信號的可能同步，而不需要 使用額外引腳或同步開銷，并且不需要附加的PLL電路。
[0059]此外，實施例是有優(yōu)勢的，因為它們提供了與MEMS振蕩器相比時的自動化應力補 償振蕩器電路系統概念，MEMS振蕩器仍然需要用昂貴技術的微處理器芯片的頂上的分離芯 片，并且不如晶體振蕩器那么準確且難以穩(wěn)定。
[0060]根據實施例，應力補償振蕩器電路系統10的處理裝置200處理來自傳感器裝置100 的傳感器輸出信號，并確定針對振蕩器輸出信號的應力補償的控制信號或多個部分控制信 號(分量）?？刂菩盘?應力相關的影響信號)不一定需要用于存儲比較值的存儲器。
[0061 ]根據實施例，執(zhí)行頻率確定分量與不同應力分量的組合，使得不同的應力分量抵 消。例如，具有正應力系數(即，橫向η擴散)的第一電阻元件(如L形的裝置)和具有負應力系 數(例如，垂直η擴散)的第二電阻元件(如L形的裝置)用于傳感器裝置100的傳感器元件。 [0062]根據實施例，應力傳感器(具有多個傳感器元件的應力傳感器裝置100)被使用，其 中所產生的應力信號（按傳感器的傳感器輸出信號）與振蕩器電路系統的非期望影響參數 "關聯"，并且應力信號被用于應力補償，即由處理裝置200使用以用于確定控制信號 Sc。ntr。l。例如，應力傳感器提供了（σχχ+σγγ)應力相關信號（取決于正應力分量的相加)和 (σχχ - σγγ)應力相關信號（取決于正應力分量差），以針對半導體襯底(傳感器管芯）中的X 方向和y方向確定不同的校正信號（不同的控制信號Sccmtrol)。在這一點上，它指出如下事 實:平行于溝槽的長電阻器具有除了特定于該溝槽以外的另一種應力影響。
[0063]根據實施例，使用應力補償RC張弛振蕩器，該張弛振蕩器控制（分數)PLL回路中的 LC振蕩器。
[0064]根據實施例，使用溫差傳感器來確定特別是在LC振蕩器中的應力效應(連同應力 補償或單獨），以便補償熱梯度誘發(fā)的應力效應。
[0065]圖3示出了包括圖1的應力補償振蕩器電路系統10和處理電路系統40的集成電路 30的示意框圖，該處理電路系統40用于基于或使用由應力補償振蕩器電路系統10提供的應 力補償振蕩器信號Sos。執(zhí)行處理操作。
[0066]根據實施例，可以將應力補償振蕩器電路系統10和處理電路系統40集成在相同半 導體襯底20上。
[0067]根據實施例，應力補償振蕩器電路系統10的處理裝置200和處理電路系統40在半 導體結構上通常共享或雙重使用集成硬件元件40a。通常共享的集成硬件通過虛線區(qū)40a (即，集成電路30的應力補償振蕩器電路系統10和處理電路系統40的重疊區(qū)域)指示在圖3 中。
[0068]根據實施例，應力補償振蕩器電路310的處理裝置200和處理電路系統40在與通常 共享的集成硬件40a相同的半導體襯底20上通常使用例如具有定義的溫度系數的ADC、溫度 傳感器、電壓參考、電壓供給和/或偏置電流供給。
[0069] 處理電路系統40可以包括或可以被實施為微處理器或RF芯片（即，處理或提供RF 信號的電路系統）。因此，處理電路系統40可以被實施為專用信號處理電路。
[0070] 根據實施例，集成電路30包括:應力補償振蕩器電路系統10,以及用于基于由應力 補償振蕩器電路系統10提供的應力補償振蕩器輸出信號執(zhí)行處理操作的處理電路系統40。
[0071] -般地，應力補償振蕩器電路系統可以被視為一般電子電路系統，該電子電路系 統用于提供"恒定"（例如自生成）的輸出信號，即，與用于檢測環(huán)境變量(例如，外部磁場或 溫度相關信號或電壓相關信號）的傳感器裝置相對。因此，發(fā)明概念也可以應用到任何電路 系統，諸如應用到電壓、電流電阻器或電容器參考，它們應該沒有對其它物理或老化效應的 交叉敏感度。
[0072]根據實施例，集成電路30可以是具有片上振蕩器(例如具有微處理器、存儲元件、 帶有片上信號處理器的傳感器IC、RF信號處理芯片（例如，WLAN)、收發(fā)器芯片等）的單片集 成整體系統。
[0073] 本發(fā)明的實施例是有優(yōu)勢的，因為它們相比于純振蕩器芯片提供了大量的附加功 能或主要功能。此外，集成電路30允許借助于應力補償振蕩器電路系統10對半導體芯片上 的另外的集成硬件(例如ADC、溫度傳感器、電壓參考、電壓供給和/或具有定義的溫度系數 的偏置電流的提供等)的雙重使用。
[0074] 本發(fā)明的實施例是有優(yōu)勢的，因為它們提供了集成電路30,該集成電路30比先前 已知方案在封裝中需要更少的面積、更少的互連和更少的芯片。
[0075] 集成電路30允許芯片生產期間的共同調整，使得關聯的調整努力被減少。集成電 路30通過忽略原本必要的互連驅動器而具有減小的功耗。集成電路30允許借助于微處理器 或WLAN芯片控制振蕩器10的接通和關斷，以在閑置中斷中節(jié)省能量并且允許快速喚醒行 為，快速喚醒行為本來將需要附加的引腳(互連)和硬件。根據實施例，集成電路30提供對微 處理器芯片的廣泛溫度測量，其中廣泛的閃速或EEPR0M存儲選項和軟件或現有硬件的廣泛 選項允許非常復雜和廣泛補償算法的提供。
[0076] 圖4示出了（對示范性的低功率R-C張弛振蕩器的)應力測量的示意圖，其示出振蕩 器輸出信號的振蕩器頻率的典型偏移行為對半導體襯底中的瞬時應力或應變分量。以半導 體襯底中的X方向（導致X-偏移)和y方向（導致y-偏移）的應變分量的不同瞬時面內應力指 不振蕩器輸出信號的偏移。
[0077] 如由圖4的測量值所示出的，關于施加應力的X方向和y方向（例如，在彎曲試驗中） 存在(張弛)振蕩器的不同相關性。因此，圖4的圖示出了 X方向和y方向上不同的應力校正或 應力補償的意義和關聯性，例如確定半導體襯底20中的X方向和y方向上的不同壓電應力分 量的關聯性。
[0078]如圖4中指示的這樣的效應（即，電路系統的X方向和y方向上的不同應力相關性） 由于如下事實而出現：電阻器和/或晶體管或其它電氣或電子元件具有相對于半導體襯底 (1C)的邊緣的不同位置或具有相對于相鄰的絕緣溝槽的不同位置。這些效應仍將在例如關 于圖5a_b、6a_b和11的下文中被徹底地描述。
[0079]圖5a_b示出了應力補償振蕩器電路系統10的傳感器裝置100的進一步實施例。更 具體地，圖5a示出了根據本發(fā)明的實施例的針對傳感器裝置100的不同實施方式的不同的、 示范性的傳感器元件110、120和130的示意框圖。
[0080] 如在圖5a中指示的，第一L形電阻器110包括第一和第二電阻器元件110-1、110-2， 第二L形電阻器120包括第一和第二電阻器元件120-1、120-2并且第三電阻器包括第一和第 二電阻器元件130-1、130-2。電阻器中的每一個優(yōu)選地連接在供應信號源140和接地觸點之 間。傳感器輸出信號Sse_r由形式為σ/Τ-ADC電路的讀出電路150來提供，σ/Τ-ADC電路由參 考電壓Vref提供。σ/Τ-ADC電路可以以復合序列測量應力分量（即，σ χχ+σγγ=σ和σχχ-σγγ=σ和溫 度Τ)?？梢詢?yōu)選地以僅一次溫度測量(單個溫度修整點)做出振蕩器頻率以及應力和溫度傳 感器的調整。
[0081] 如在圖5a中指示的，讀出電路150根據不同互連選項可連接到第一、第二和/或第 三電阻器110、120和130。用于讀出第一、第二和第三L形電阻器的不同配置被詳細指示在下 文中。
[0082] 第一和第二電阻器110和120是具有相同大小的兩個電阻器元件的所謂L電阻器， 該兩個電阻器元件被布置成使得它們彼此垂直并且在半導體襯底20中/在半導體襯底20上 處于"直接"相鄰于彼此。此外，兩個正交布置的電阻器元件并聯(元件110-1和110)或串聯 (元件120-1、120-2)電連接，或者電阻器元件連接到多路復用器，多路復用器允許以順序的 方式對電阻器元件進行測量。
[0083] 如在圖5b中指示的，左邊電阻器元件示出L形電阻器110或120的電阻器元件110_ 1、110-2、120-1、120-2的可能實現。如在圖5b的左圖中示出的，電阻器元件被指示為電阻器 元件Riv,n。索引η(= η擴散)指示：電阻器元件是兩個接觸結構"η觸點"之間的半導體襯底中 的η摻雜電阻區(qū)(η外延層或η講沖的電阻元件。此外，索引"lv"指示具有橫向部分和垂直部 分的兩個接觸區(qū)之間的電流流動。
[0084] 如在圖5b中指示的，右邊電阻器元件指示第三電阻器130的電阻器元件130-1、 130-2的可能實施方式。如關于電阻器元件Rv,n示出的，該電阻器元件也是η擴散電阻器元 件，然而，僅僅具有從η觸點穿過η外延層或η阱到具有可忽略橫向串聯電阻的η埋層的垂直 電流方向。
[0085]在圖5a中，指示了所產生的電阻與半導體襯底中的應力或應變分量的相關性。此 外，指示了第一L電阻器110相對于第二L電阻器120角度偏移45°。
[0086] 如在圖5a中指示的，左邊45°-L電阻器110(包括電阻器元件110-1和110-2)提供了 應力相關輸出電壓，該應力相關輸出電壓具有(σχχ - σγγ)敏感度E!，其中Ei = 1 + 155.6% GPa(〇xx-〇YY)。因此，L電阻器110提供了應力相關輸出信號，該應力相關輸出信號取決于半 導體襯底中的正應力分量 σΧΧ、σΥΥ之間的差，并且σ = σχχ _ σΥΥ。
[0087] 此外，如作為在圖5a中的另外選項被指示的，第二L電阻器120和垂直電阻器130之 間的信號差（電壓差)提供應力相關電壓，該應力相關電壓具有(σχχ + 〇yy)敏感度E2,其中E2 =1 + (43.2-22.5)%/GPa。因此，第二和第三電阻器120、130的組合關于正應力分量的和敏 感，并且 σ = σχχ + σγγ。
[0088] 圖6a_b示出了根據實施例的布置在示范性電路元件（其確定了振蕩器頻率）附近 的深溝槽對作用到電路元件的不同應力分量和電路元件的不同壓電系數的影響的示意圖 (作為頂視圖和作為橫截面視圖）。示范性電路元件例如是RC張弛振蕩器的電阻元件、應力 傳感器元件和/或用于電流鏡電路的晶體管元件(其提供偏置電流給LC振蕩器)等。
[0089] 圖6a提供了電阻器(n-MOS或poly)、晶體管(未示出）和絕緣溝槽114的示范性布局 布置(頂視圖）。絕緣溝槽(深或淺的溝槽）114具有相對于襯底20的硅材料非常不同的彈性 模量(modulus)。因此，隔離溝槽114生成甚至具有均勻y平面內應力的不同應力變化。這通 過不同應力分量σγγ和σχχ指不。如所指不的，局部生成的應力σχχ、σγγ可以在大小和方向方面 不同。
[0090] 此外，存在另外的電路元件（電阻器、晶體管(未示出在圖6a中）等），它們被布局在 特定方向上，并且因此也示出對X和y應力或應變的不同反應。因此，這些電路元件（未示出 在圖6a中）相對于溝槽或芯片邊緣的位置是相關的，并且應當在借助于處理裝置200處理和 確定控制信號時被考慮。在這方面，它進一步向外指向關于圖4的解釋。
[0091] 圖6b示出了根據本發(fā)明的布置在示范性電路元件或傳感器元件附近的深溝槽對 作用到電路元件或傳感器元件的不同應力分量和電路元件或傳感器元件的不同壓電系數 的影響的示意圖（作為橫截面視圖）。
[0092]圖6b示出了在半導體襯底116b的η外延區(qū)116a內的形式為η溝道晶體管116的示范 性電路元件。FET 116借助于深溝槽116c與鄰近的電路元件(未示出在圖6b中）分離。金屬化 層118(Metl，Met2)提供到另外電路元件（未示出在圖6b中）的電氣互連。
[0093]如在圖6b中指示的，在半導體襯底的深區(qū)中，應力分量(深應力）可以在電路元件 中發(fā)生。表面上的晶體管或電阻器受該局部應力效應影響。即，η擴散源極和漏極觸點之間 的η溝道晶體管的迀移率受應力影響。
[0094]根據實施例，下面的考慮基于關于圖5a_b和6a_b的解釋，并且提供進一步信息以 用于提供針對應力補償振蕩器電路系統10的改進的應力傳感器裝置100。
[0095] 在下文中，可以根據實施例結合兩個考慮。 1) 應力分量σχχ和σγγ的任何組合可以基于兩個信號（即，信號Sp= σχχ + σγγ和信號Sm =〇χχ - σγγ)πχ?^||0 2) 針對Sp和Sm的應力傳感器可以以高敏感度以及由于溫度變化和制造公差引起的較 小誤差測量兩個組合的應力傳感器分量Sp = σχχ + σγγ和Sm = σχχ - σγγ。
[0096] 從例如以上描述的示例可以采用針對Sp的應力傳感器。為此，可以比較兩個不同 摻雜電阻元件(例如，η摻雜與p摻雜電阻器或NM0S與PM0S或低摻雜η電阻器與高摻雜η電阻 器）。替代地，具有不同壓電應力相關性的橫向和垂直電阻元件可以彼此比較，其中第一個 具有主要在橫向方向（平行于芯片表面)上的電流流動，并且后者具有主要是在垂直于芯片 表面的方向上的電流流動。上一個解決方案的優(yōu)點是更好的溫度差和更低的技術擴散。 [0097]然后，當機械張力或應力變化時，電阻器之間的比率變化，或例如，M0S晶體管的電 導率和雙極晶體管的VBE或β(所有的壓電效應）。
[0098] 通過在布局中旋轉電阻器或M0S晶體管的矩形布置45°，可以測量σχγ而不是σχχ -σγγ，其中，用ρ摻雜元件，針對σχγ產生更高敏感度，并且用η摻雜元件，針對σχχ -σγγ產生更高 的敏感度。
[0099]針對Sp和Sm的組合手段可以是線性組合，例如利用任何系數kl，k2(特別是，kl = 1和k2 = 1或k2 = -1)的kl*Sp+k2*Sm。非線性組合也是可能的，諸如利用實值指數el和e2 的kl*Sp~el+k2*Sp~e2或（kl*Sp+k2*Sm)~el。
[0100]因此，可以在X方向上不同于在Y方向上校正應力敏感度。這例如對不同鄰近布局 (例如溝槽)或到芯片邊緣的不同距離是必要的。
[0101] 圖7示出了根據實施例的形式為應力敏感電流鏡電路的傳感器裝置100的示意圖。 應力敏感電流鏡電路包括MOSFET 119a、119b，它們以+/-45° L形布局被布置在半導體襯底 中，使得通過第一 FET 119a的產生的電流沿[010]方向流動（參見圖2a)和通過第二FET 11%的產生的電流沿[100]方向流動(參見圖2a)。
[0102] 基于FET 119a、119b的該電路配置，產生的應力分量σ=σχχ-σγγ可以經由針對圖7中 的n-Mos晶體管的電流lout與I in的比率來測量。
[0103] 替代地，如果將使用n-MOS晶體管的0°/ 90°L形布局(未示出在圖7中）而不是+/-45°布局（如圖7中示出），則產生的應力分量σ=σχχ+σγγ可以經由電流lout與Iin的比率來測 量。
[0104] 圖8a示出了根據實施例的應力補償振蕩器電路系統11的示意框圖，其中振蕩器裝 置300包括具有經由數字分數值的應力補償的PLL振蕩器320。圖8b示出了根據實施例的示 范性分數PLL320(PLL為鎖相環(huán)）的示意框圖。
[0105] 如圖8a中所示，傳感器裝置100包括應力傳感器102并可選地包括溫度傳感器104。 按傳感器的傳感器輸出信號被提供給處理裝置200,其中處理裝置200包括多路復用器210、 LP-ADC 220(低功率模擬/數字轉換器)和電路230,電路230用于查詢表(例如查找表)或用 于計算多項式函數（即，多項式函數或分段線性函數或任何其它數學函數的項）。這些函數 可以包括溫度相關系數。
[0106] 處理電路200作為輸出信號提供控制信號Sccintrcil給振蕩器裝置300。振蕩器裝置 300包括精密張弛振蕩器310、用于提供補償振蕩器輸出信號 Scis。的分數PLL振蕩器320和可 選地包括可編程計數器或分頻器電路330。
[0107] 圖8b示出了分數PLL電路的示例。如圖8b中所示，分數PLL振蕩器320包括作為參考 源sref，其例如采用精密張弛振蕩器310的形式。分數PLL振蕩器320包括相位檢測器PFD 321、濾波電路322、和電壓控制振蕩器323、以及反饋回路中的固定1/A分頻器電路324和分 數1/N分頻器電路325。
[0108] 相位檢測器321比較它的兩個輸入信號，并產生誤差信號，該誤差信號與其相位差 成比例。誤差信號然后在電路322中被低通濾波，并且用于驅動壓控振蕩器VC0 323,壓控振 蕩器VC0 323創(chuàng)建輸出相位。通過分頻器（固定分頻器電路324和分數分頻器電路325)將輸 出信號反饋到系統的輸入，從而產生負反饋回路。分數分頻器電路325配置成根據數字分數 分頻器的下面的關系提供參考頗鑾的韭整教倍，
其中項k/M取決于控制信號s_trcii。
[0109] 分數分頻器電路還可以與偽隨機或Sigma Delta調制組合，以便降低在振蕩器輸 出信號處的噪聲。振蕩器輸出信號具有低相位噪聲，并且同時被溫度和應力補償。
[0110]在下文中，如圖8a_b中圖示的應力補償振蕩器電路系統100的功能根據實施例進 行詳細解釋。
[0111] 應力傳感器102和(可選地)溫度傳感器104不時經由多路復用器210用低功率ADC 220來查詢，例如每0.5"_2ms進行查詢以便能夠遵循熱瞬態(tài)時間，或在1C已處于休眠模式時 甚至每幾秒進行查詢。數字結果經由在多項式計算(例如，一階和二階）的幫助下計算數字 分頻比(N+k/M)的計算單元23或查找表影響分數PLL320的數字分頻器325。
[0112]應力相關分頻比可以被疊加到不同分頻比用于精細調諧輸出頻率(未示出在附圖 中）。
[0113]在分數PLL320中的高(但精細調諧和應力補償）的輸出頻率fQSC可以例如由LC振蕩 器(例如，2.4 GHz)生成，LC振蕩器最初不是非常準確的。準確(但仍然是應力補償）的精密 張弛振蕩器310以fref(例如100 kHz)提供參考信號Sref，通過該參考信號將輸出的分數分頻 振蕩器頻率fose下分頻。
[0114] 通過分數分頻(例如，分頻比間歇地從1/N變化到l/(N+k/M)，例如1/4變化到1/5)， 非常精細調諧的輸出頻率可以被設置，并且因此非常精細調諧的溫度和應力補償和精細調 諧的振蕩器頻率可以被執(zhí)行。
[0115] 優(yōu)點是精密張弛振蕩器示出非常良好的基本精度，但僅提供固定頻率，而輸出信 號可以是非常精細調諧的，并示出低的相位噪聲。
[0116] 此外，可以通過s igma-de 1 ta方法在時間上分布分數分頻比，使得其可以被容易地 過濾，以提供低噪聲輸出頻率。
[0117] 通過下分頻該輸出頻率，也可以提供非常準確的時間基準用于其它應用（以虛線 示出）。例如，對于特定的協議要求或對于具有作為參考的時間基準的傳感器。
[0118] 可以例如利用下述公式來形成多項式：
其中 ΔΤ = T-Tref T為測量溫度 Tref為參考或調整溫度 Doutl為數字多項式部分結果 Doutlref為數字參考值
其中 Δσ = oxx-oxxref σχχ為在針對晶片管芯的晶向的X方向上測量的壓電效應 〇xxrrf為在參考時間的應力測量值 Dout2為數字多項式部分結果 Dout2ref為數字參考值
其中 Δ〇 = Oyy-Oyyref 〇yy為在針對晶片管芯的晶向的X方向上測量的壓電效應 〇yyrrf為在參考時間處的應力測量值 Dout2為數字多項式部分結果 Dout2ref為數字參考值 0XX和Oyy可以從提供例如0XX +Oyy或0XX -Oyy的優(yōu)選壓電分量傳感器進行計算。
[0119] 如圖8b所示，由處理裝置200提供的控制信號控制分數PLL振蕩器320的分數分頻 器電路325。
[0120] 圖9示出了根據另一實施例的應力補償振蕩器電路系統12的示意框圖，其中應力 補償振蕩器電路系統12包括直接應力補償LC振蕩器340。
[0121] 如圖9中所示，應力補償振蕩器電路系統10包括具有應力傳感器電路102和可選的 溫度傳感器電路104的傳感器裝置100。處理裝置200包括多路復用器電路210、LP-ADC電路 220和用于查詢LUT(查找表)或計算多項式函數(即，多項式函數的項）的電路230和DAC電路 240(DAC為數字/模擬轉換器)240。
[0122] 振蕩器裝置300包括用于提供具有振蕩器輸出頻率fQSC的振蕩器輸出信號Sosc的LC 振蕩器340。
[0123] 振蕩器340可以是LC振蕩器，但是張弛振蕩器或環(huán)形振蕩器的使用也是可能的，其 被提供在芯片20上并且經由DAC 240根據AD轉換應力和/或溫度信號Sse_r被直接校正。為 此，數字應力和溫度信號經由查找表再次被讀出或借助于電路230經受多項式計算。通常， 多項式計算需要少得多的EEPR0M存儲器位和較少參考點。
[0124] 在這方面，指出的是，溫度傳感器直接對振蕩器的模擬補償也將是可能的，但更復 雜的補償和更高階的補償以及傳感器之間和到振蕩器的交叉耦合可能阻礙調整。壓電應力 分量本身例如是溫度相關的。將應力電壓轉化到振蕩器頻率的模擬復制電路可能具有本身 的不準確性，該不準確性也可以是溫度和應力相關的（例如，在模擬復制電路中的0PV(運算 放大器)的偏移）。如上述的，模擬元件的精細調諧可能難以執(zhí)行。
[0125] 圖10a示出了應力補償振蕩器電路系統13,其中傳感器裝置100包括用于提供傳感 器輸出信號sse_ r給處理裝置200的應力傳感器。處理裝置200包括ADC電路210、用于查詢查 找表或用于計算多項式函數(即多項式函數的項）的電路230和用于提供控制信號^^^的 數字校正DAC電路250。
[0126] 振蕩器裝置300可以包括張弛振蕩器360,張弛振蕩器360具有由電壓參考提供器 362提供給比較器364的電壓參考VH、VL。可上下切換積分器電流366-1，366-2,兩個閾值比 較器364和控制信號Sc^ntroi，例如應力以及可選地溫度相關的DAC補償信號。如圖10a中所 示，對積分電流366-1，366-2進行調諧。
[0127] 如圖10a所不，由DAC 240輸出的控制信號Scontroi可以切換積分器電流366-1，366_ 2。替代地或者附加地，DAC 240也可以改變電壓參考(例如，具有電壓輸出的DAC)或切換電 容場(C陣列，C-DAC)。因此，圖10a示出了具有針對積分器電流的校正DAC的應力補償振蕩 器。
[0128] 圖10b示出了類似于圖10a的應力補償振蕩器電路系統的本發(fā)明的應力補償振蕩 器電路系統的進一步實施例。圖l〇b示出了應力補償振蕩器電路系統14,其中傳感器裝置 1〇〇包括用于提供傳感器輸出信號Ssensor給處理裝置200的應力傳感器。處理裝置200處理傳 感器輸出信號s se_r并且提供"模擬"控制信號&^^。振蕩器裝置300可以包括張弛振蕩器 360,張弛振蕩器360具有由電壓參考提供器362提供給比較器364的電壓參考VH、VL以及積 分器電流366-1，366-2。
[0129] 如圖10b中所示，在張弛振蕩器360中指示積分電流也可以以模擬方式進行應力補 償。如所提到的：實際實施方式可能更難且不太準確，但更加面積高效?？梢酝ㄟ^混合具有 不同應力相關性的電流生成子電流。這在下面的公式中被指示。因此，圖l〇b示出了通過使 用具有不同應力分量的設備的組合而具有應力補償積分器電流的張弛振蕩器。
[0130] 針對用于補償電路中的應力效應的加權偏置電流生成的示例：
示例:張弛型振蕩器360使用積分電流Iint、兩個參考電壓VH = Vref+和VL = Vref-以 及積分電容器Cint。通過在電容器Cint上對電流Int進行上下積分直到達到參考電壓Vref+或 Vr ef-，建立輸出頻率f osc。
[0131] 基于帶隙的參考電壓Vref+或Vref-是溫度補償的并且只有一點點應力相關（由于 小的壓電結型效應和所使用的電阻器的壓阻效應的小的影響，這改變偏置電流，并且因此 僅由于從集電極電流到Vbe的對數函數而Vbe=Vntat)。電容器C int也是幾乎應力獨立的。在 比較器364中的延遲針對振蕩器頻率fQSC減小一點點并且是有點應力相關的，因為在差分輸 入對中的迀移率由于壓電M0S效應=晶體管溝道中的壓阻效應而有點應力相關。主應力影響 來自帶隙中所使用的偏置電阻器，其具有大的壓阻效應，并被鏡像到積分電流I int。
[0132] 用低技術擴散的積分電流Iint的溫度補償可以通過以下方式實現:加上或減去來 自于具有不同溫度梯度的帶隙電路中使用的電壓(Vptat和Vntat)的電流。在兩個電壓分支 中，相同電阻器類型的電阻器通常用來抑制對I int的TC(溫度系數)的技術影響力。最后，Iint 或Cint被修整成期望的f_，但其通?？梢灾辉谝粋€溫度下完成。
[0133] 所產生的fw。主要與1/R應力相關，其中R=f(〇)。經常使用的η摻雜多晶硅電阻器具 有-11%/GPa的應力系數，這由于正常的封裝工藝導致在芯片的中間和周圍的200MPa的平面 內應力下大約3%的頻移，并且由于濕度改變和壽命效應以及焊接導致大約+/-0.7%不穩(wěn)定 性。
[0134] 但是在溝槽的附近，應力可以以不同的方式(X或X相關性的值)改變，但是仍與全 局應力相關聯。這可以用第二恒定電流來補償，這也使用帶隙固有電壓Vptat和Vntat來實 現溫度補償。例如，具有+4.4%/GPa的L形P摻雜電阻器可以被添加在相同或不同的帶隙電路 中，該帶隙電路具有與基于η多晶硅的電流相比大約4.4/11的電流比。L形的擴散電阻器對 于使應力系數獨立于應力方向是重要的。
[0135] L形臂的差異可以用于分離振蕩器的X和Υ應力相關性。所產生的Iint現在可以被設 計成幾乎被應力補償或兩種電阻器類型之間的比率現在可以被調整成補償比較器延遲或 參考電壓或電容器中的剩余應力效應。對于應力和溫度的一階補償而言，用固定的比率調 整它是足夠的。
[0136] 圖11示出了根據進一步實施例的形式為具有應力傳感器和溫差傳感器(即經由差 分電壓測量的應力測量)的LC振蕩器的應力補償振蕩器電路系統15。根據實施例，圖11示出 了根據本發(fā)明的實施例的應力補償振蕩器電路系統15的示意圖，應力補償振蕩器電路系統 15例如具有LC振蕩器340以及在半導體襯底20上的應力傳感器102-1到102-4和溫差傳感器 104-1到104-4。
[0137] L形45°電阻器102-1、102-3與垂直電阻器102-2( 102-4)-起提供針對X和Y應力相 關性的補償信號VdPV2:
因此，針對X和Y方向的不同應力補償信號可用于補償在(LC)振蕩器360中的應力效應。 這些應力效應與芯片的機械彎曲效應相關聯，并且主要負責于壽命變化或封裝效應。
[0138] 圖11的LC振蕩器340的布局布置包括對稱圍繞的應力傳感器102-1到102-4,用于 確定應力平均值和溫度平均值，并且如果可能的話，對應力梯度不示出反應。對稱布置的溫 度傳感器104-1到104-4被布置用于經由平均值確定溫度而非溫度梯度。此外，溫度傳感器 是徑向布置的，其中溫度差測量可以在對稱布置的溫度傳感器之間進行以確定溫度梯度。 可以例如稍微改變線圈在管芯上的位置或周界的溫度梯度(例如，由線圈中的功率引起)或 位置可能受梯度引起的應力效應影響。
[0139] 在下文中，以上關于圖1-11描述的不同實施例的不同方面的概述被提供用于方便 理解具有應力補償以減小封裝和壽命變化的片上振蕩器的發(fā)明的實施方式。
[0140]根據實施例，應力補償振蕩器電路系統使用從應力傳感器導出的數字值來改變分 數分頻器的數字輸入。
[0141]根據實施例，應力補償振蕩器電路系統使用管芯的全局X和Y方向應力效應到局部 X和Y應力效應之間的關聯性。
[014 2 ]根據實施例，執(zhí)行頻率確定分量與不同應力分量的組合，使得不同的應力分量抵 消。例如，具有正應力系數(即，橫向η擴散)的第一電阻元件(如L形的裝置)和具有負應力系 數(例如，垂直η擴散)的第二電阻元件(如L形的裝置)被用于傳感器裝置100的傳感器元件。
[0143] 根據實施例，應力傳感器(具有多個傳感器元件的應力傳感器裝置100)被使用，其 中所產生的應力信號（按傳感器的傳感器輸出信號）與振蕩器電路系統的非期望影響參數 "關聯"，并且應力信號被用于應力補償，即由處理裝置200使用以用于確定控制信號 Sc。ntr。l。例如，應力傳感器提供了（σχχ+σγγ)應力相關信號（取決于正應力分量的相加)和 (σχχ-σγγ)應力相關信號(取決于正應力分量的差），以針對半導體襯底(傳感器管芯）的X和y 方向確定不同的校正信號(不同的控制信號8。。1^。1)。在這方面，它指向如下事實，平行于溝 槽的長電阻器具有除了特定于該溝槽以外的另一種應力影響。
[0144] 根據實施例，使用應力補償RC張弛振蕩器，其控制在（分數)PLL回路中的LC振蕩 器。
[0145] 根據實施例，使用溫差傳感器來確定特別是在LC振蕩器中的應力效應(連同應力 補償或單獨），以便補償熱梯度誘發(fā)的應力效應。
[0146] 附加或替代地，一些應力分量可以用溫差傳感器在頂部上進行測量。
[0147] 恒定的電流參考或應力相關偏置電流可以通過使具有不同機械應力系數的兩個 不同溫度恒定(或具有帶隙定義的溫度系數)電流源相加或相減被建立。這可以通過在電流 源和基于帶隙的復制電路中使用兩個不同的電阻器類型來完成。
[0148] 根據實施例，對晶片平坦部的45°和具有〇xx+〇yy = -24%/GPa (總和）以及〇xx-〇yy =+155.6%/Gpa的正壓阻效應的橫向L形η擴散或η阱電阻器與具有〇xx+〇yy = +52%/GPa (總 和）的垂直η擴散或η阱電阻器結合使用。借此，不同（X和Y)應力相關校正信號可以被導出。 該校正信號可以是模擬電壓或電流或電阻器或經由ADC從應力傳感器導出的數字校正信 號。
[0149] 以上關于圖1-11描述的實施例的優(yōu)勢在于相應地實施的應力補償振蕩器電路系 統10示出了為現有技術的相當的振蕩器電路系統的1/5到1/10的封裝變化。此外，可以提供 具有低得多的壽命變化和更高穩(wěn)定性的低成本和低變化的片上解決方案。此外，封裝中的 焊接和工藝改變或封裝中濕度改變不導致頻率改變。只需要在任何溫度用振蕩器輸出頻率 fosc針對振蕩器輸出信號Sos。的單點調整。對于更高的精度而言，兩點調整也是可能的。然 而，沒有針對應力補償的進一步兩點調整是需要的。此外，固定的應力系數可以用于集成電 路的一個特定設計。發(fā)明的振蕩器電路系統還提供在通電后快得多的穩(wěn)定時間（例如10倍 的速度）?；诎l(fā)明概念，對于許多應用，可以將晶體振蕩器電路或MEMS振蕩器電路從集成 電路中移除。
[0150]雖然本發(fā)明及其優(yōu)點已經被詳細地描述，但是應該理解的是，在不脫離由所附權 利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在本文中做出各種變化、替換和改變。 [0151]此外，本申請的范圍不限于在說明書中描述的工藝、機器、制造商、物質成分、手 段、方法以及步驟的特定實施例。如本領域普通技術人員之一將容易地從本申請的公開內 容認識到的那樣，可以根據本發(fā)明利用與在本文中描述的相應實施例執(zhí)行基本上相同的功 能或者實現基本上相同的結果的、目前存在的或后來要被開發(fā)的工藝、機器、制造、物質成 分、手段、方法、或步驟。因此，所附權利要求旨在在其范圍內包括這樣的工藝、機器、制造、 物質成分、手段和步驟的方法。
【主權項】
1. 一種應力補償振蕩器電路系統（10; 11; 12; 13; 14; 15)，包括： 傳感器裝置（100)，用于提供傳感器輸出信號（Ssenscir),其中傳感器輸出信號(Ssenscir)基 于在半導體襯底(20)中的瞬時應力或應變分量(σ); 處理裝置(200)，用于處理傳感器輸出信號（Ssenscir)和取決于在半導體襯底(20)中的瞬 時應力或應變分量(σ)提供控制信號(SecintoI); 振蕩器裝置(300)，用于基于控制信號（Sccintol)提供具有振蕩器頻率(f〇s。)的振蕩器輸 出信號（Sosc); 其中控制信號(Scontrol)控制振蕩器輸出信號(SqSC)，并且其中控制信號(Scontrol)減小在 半導體襯底(20)中的瞬時應力或應變分量(〇)對振蕩器輸出信號(S_)的影響，使得振蕩器 電路系統（1 〇 )提供應力補償振蕩器輸出信號(Sosc)。2. 根據權利要求1所述的應力補償振蕩器電路，其中傳感器裝置（100)、處理裝置 (200)和振蕩器裝置（300)被集成在相同半導體襯底（20)上。3. 根據權利要求1或2所述的應力補償振蕩器電路，其中傳感器裝置（100)包括多個傳 感器元件（110; 120; 130)，每個傳感器元件感測在半導體材料(20)中的瞬時應力或應變分 量(〇)〇4. 根據權利要求3所述的應力補償振蕩器電路系統，其中所述多個傳感器元件（110; 120; 130)配置成感測彼此正交的和在關于半導體襯底(20)的表面的平面中的瞬時應力和 應變分量(σχχ, 0yy)。5. 根據權利要求3或4所述的應力補償振蕩器電路系統，其中所述多個傳感器元件 (110;120;130)是壓電敏感傳感器元件。6. 根據權利要求5所述的應力補償振蕩器電路系統，其中壓電敏感傳感器元件關于半 導體材料的表面在半導體材料中橫向和/或垂直延伸。7. 根據權利要求3至6所述的應力補償振蕩器電路系統，其中多個傳感器元件包括L形 傳感器元件并且跨半導體襯底的表面空間分布。8. 根據權利要求7所述的應力補償振蕩器電路系統，其中L形傳感器元件是壓電敏感擴 散電阻器。9. 根據權利要求5至8中的任一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中所述多個壓電 敏感傳感器元件包括具有第一應力系數的第一數目的壓電敏感傳感器元件，并且包括具有 第二應力系數的第二數目的壓電敏感傳感器元件，其中第一和第二應力系數是不同的。10. 根據權利要求9所述的應力補償振蕩器電路系統，其中第一數目的壓電敏感傳感器 元件提供具有第一應力分量相關性的第一應力相關傳感器信號，并且第二數目的壓電敏感 傳感器元件提供具有第二應力分量相關性的第二應力相關傳感器輸出信號，其中第一應力 相關信號具有關于在半導體襯底中的正應力分量總和( 〇xx + 0yy)的應力分量相關性，并且 其中第二數目的壓電敏感傳感器元件提供具有關于在半導體襯底中的正應力分量的差(σ χχ -〇yy)的應力分量相關性的第二應力相關信號。11. 根據前述權利要求中的任一項所述的應力補償振蕩器電路系統，進一步包括： 半導體襯底上或半導體襯底中的溫度傳感器元件，用于提供關于半導體襯底的瞬時溫 度的溫度傳感器信號。12. 根據權利要求11所述的應力補償振蕩器電路系統，其中溫度傳感器裝置包括空間 分布在半導體襯底的表面之上的多個溫度傳感器元件。13. 根據權利要求12所述的應力補償振蕩器電路系統，其中所述多個溫度傳感器元件 形成溫差傳感器裝置。14. 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中處理裝置 配置成執(zhí)行前饋傳感器輸出信號處理，以將控制信號作為應力補償信號提供給振蕩器裝 置。15. 根據權利要求14所述的應力補償振蕩器電路系統，其中處理裝置配置成檢索查找 表或基于傳感器輸出信號計算多項式函數或分段線性函數，以便確定控制信號。16. 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中處理裝置 配置成處理傳感器輸出信號，以便提供作為多個部分控制信號的組合的控制信號，其中每 個部分控制信號控制振蕩器輸出信號的振蕩器頻率，并減小在半導體襯底中的不同瞬時分 量對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的影響。17. 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中處理裝置 配置成處理傳感器輸出信號以便提供控制信號，其中控制信號包括第一和第二部分控制信 號，以提供針對半導體襯底中的振蕩器裝置的不同應力分量相關性的第一和第二部分校正 信號。18. 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中處理裝置 配置成處理來自所述多個溫度傳感器元件的傳感器輸出信號，以確定針對半導體襯底中的 溫度梯度誘發(fā)的溫度相關應力效應，并且配置為提供控制信號，所述控制信號減小在半導 體材料中的瞬時溫度或溫度梯度對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的影響，使得對振蕩器輸 出信號的振蕩器頻率的熱梯度誘發(fā)的應力效應被減小。19. 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中振蕩器裝 置包括在分數PLL回路中的振蕩器，其中分數PLL回路具有分數分頻器，其中處理裝置配置 成處理傳感器輸出信號并且提供控制信號，其中控制信號控制振蕩器裝置的分數PLL回路 的分數分頻器，以便減小半導體襯底中的瞬時應力分量對振蕩器輸出信號的振蕩器頻率的 影響。20. 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中振蕩器裝 置包括直接應力補償LC振蕩器或具有針對偏置電流、可切換電容和/或電壓相關電容的校 正DAC的應力補償振蕩器。21. 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統，其中振蕩器裝 置包括具有應力補償積分器電流或應力補償參考電壓或應力補償集成電容的張弛振蕩器。22. 根據權利要求21所述的應力補償振蕩器電路系統，其中處理裝置配置成提供多個 部分控制信號以調整至少兩個下面的電氣特性的組合，電氣特性包括積分器電流、參考電 壓和/或積分器電容，以便減小半導體襯底中的瞬時應力分量對振蕩器輸出信號的振蕩器 頻率的影響。23. -種集成電路(30)，包括： 根據前述權利要求中的任何一項所述的應力補償振蕩器電路系統（10);和 處理電路系統(40)，用于基于由應力補償振蕩器電路系統（10)提供的應力補償振蕩器 輸出信號執(zhí)行處理操作。24. 根據權利要求24所述的集成電路，其中應力補償振蕩器電路系統（10)和處理電路 系統(40 )被集成在相同半導體襯底(20 )上。25. 根據權利要求23或24所述的集成電路，其中應力補償振蕩器電路系統（10)的處理 裝置(200)和處理電路系統(40)通常共享半導體襯底(20)上的集成硬件(40a)。26. 根據權利要求25所述的集成電路，其中應力補償振蕩器電路系統（10)的處理裝置 (200)和處理電路(40)通常使用具有在相同半導體襯底上定義的溫度系數的ADC溫度傳感 器、電壓參考、電壓供給和偏置電流供給。
【文檔編號】H03B5/04GK105897166SQ201610084598
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月14日
【發(fā)明人】M.莫茨
【申請人】英飛凌科技股份有限公司