应力补偿振荡器电路系统和使用该电路系统的集成电路的制作方法

应力补偿振荡器电路系统和使用该电路系统的集成电路的制作方法
【专利摘要】一种应力补偿振荡器电路系统包括：用于提供传感器输出信号SSensor的传感器装置，其中，所述传感器输出信号SSensor基于在半导体衬底中的瞬时应力或应变分量σ；用于处理传感器输出信号SSensor和取决于在半导体衬底中的瞬时应力或应变分量σ提供控制信号SControl的处理装置；以及用于基于控制信号SControl提供具有振荡器频率fOSC的振荡器输出信号SOSC的振荡器装置，其中控制信号SControl控制振荡器输出信号SOSC，并且其中控制信号SControl减小在半导体衬底中的瞬时应力或应变分量σ对振荡器输出信号SOSC的影响，使得振荡器电路系统提供应力补偿振荡器输出信号。
【专利说明】
应力补偿振荡器电路系统和使用该电路系统的集成电路
技术领域
[0001] 本发明的实施例涉及集成电路的领域，并且更具体地涉及应力补偿振荡器电路系 统和使用该电路系统的集成电路的领域。此外，本发明的实施例涉及具有机械应力/应变补 偿的片上振荡器。
【背景技术】
[0002] 集成电路系统或集成电路（1C)通常安装在塑料封装中以保护敏感的集成电路系 统免于环境影响。然而，在塑料封装中安装集成电路系统可以对半导体材料施加相当大的 机械应力，并且因此对集成电路系统的半导体衬底施加相当大的机械应力。
[0003] 存在于半导体衬底的半导体材料中且作用于集成电路系统的机械应力或机械应 变通常难以再现，因为机械应力取决于针对半导体衬底和针对封装使用的材料的组合，并 且此外，取决于集成电路本身的封装工艺。
[0004] 因此，机械应力问题由封装、焊接、塑料封装中的湿度改变、管芯(半导体衬底）的 弯曲效应、对邻近器件的沟槽影响等引起。机械不稳定性导致参考电路中的电流和电压改 变以及导致无源部件(如片上电感器、电容器及电阻器)和有源部件(例如，晶体管、二极管 等）的改变，该改变为分别由无源和有源部件中的应力或应变诱发的压电效应引起的标称 值的大约3%。
[0005] 总之，机械应力似乎是终生效应，但实际上集成电路的行为的偏移效应的90%由封 装、焊接、湿度和管芯（即，半导体衬底)上的温度梯度引起，因为塑料封装的膨胀导致芯片 的弯曲。
[0006] 因此，到目前为止，可以实现在集成电路系统的寿命和温度范围内的仅1%到3%的 准确性和稳定性，即使用对晶片的修整方案。
[0007] 因此，存在对改进的集成电路的需要，该集成电路以高精度和高寿命稳定性连同 非常低的温度偏移和低功率或相位噪声来工作。因此，针对没有外部部件的片上振荡器的 准确和便宜的低功率或低相位噪声为具有数字协议或RF接口的许多集成电路（1C)所需 要。

【发明内容】

[0008] 本发明的实施例提供了应力补偿振荡器电路系统，包括：用于提供传感器输出信 号SSenscir的传感器装置，其中，所述传感器输出信号S Senscir基于在半导体衬底中的瞬时应力 或应变分量σ;用于处理传感器输出信号&_。4卩取决于在半导体衬底中的瞬时应力或应变 分量σ提供控制信号S Ccintell的处理装置;以及用于基于控制信号SCcintol提供具有振荡器频率 f 0SC的振荡器输出信号Sosc的振荡器装置，其中控制信号Scontrol控制振荡器输出信号Sosc(例 如，振荡器输出信号Sosc的振荡器频率S QSC或幅度AQSC)，并且其中，控制信号^^碱小在半 导体衬底中的瞬时应力或应变分量σ对振荡器输出信号Sosc的影响，使得振荡器电路系统提 供应力补偿振荡器输出信号。
[0009] 本发明的实施例还提供了包括应力补偿振荡器电路系统的集成电路，该应力补偿 振荡器电路系统具有：用于提供传感器输出信号s Senscir的传感器装置，其中，所述传感器输 出信号Ssensor基于在半导体衬底中的瞬时应力或应变分量〇 ;用于处理传感器输出信号 sSe3nscir和取决于在半导体衬底中的瞬时应力或应变分量σ提供控制信号S Ccintrcil的处理装置； 以及用于基于控制信号提供具有振荡器频率fQSC的振荡器输出信号S QSC的振荡器装 置，其中控制信号Scontrol控制振荡器输出信号Sosc(例如，振荡器输出信号Sosc的振荡器频率 Sosc或幅度Aosc)，并且其中控制信号Scontrol减小在半导体衬底中的瞬时应力或应变分量σ对 振荡器输出信号Sosc的影响，使得振荡器电路系统提供应力补偿振荡器输出信号；以及用于 基于由应力补偿振荡器电路系统提供的应力补偿振荡器输出信号执行处理操作的处理电 路系统。
【附图说明】
[0010] 为了更完全理解本发明及其优点，现在对与附图结合做出的下面描述进行参考， 在附图中： 图1示出了根据本发明的实施例的应力补偿振荡器电路系统的示意框图； 图2a-b示出了在半导体衬底的表面平面中的晶向的一般定义； 图3示出了根据本发明的实施例的集成电路的示意框图； 图4示出了示范性(张弛)振荡器的振荡器输出频率与半导体衬底中的X和y方向上的不 同应力分量的相关性的图形说明； 图5a示出了根据本发明的实施例的具有不同示范性传感器元件的传感器装置的不同 实施方式的示意框图； 图5b示出了根据本发明的实施例的传感器布置的示范性传感器元件的示意实施方式； 图6a示出了根据本发明的实施例的传感器装置的示范性传感器元件的示意顶视图说 明和布置在传感器元件附近的深沟槽对作用在传感器元件上的不同应力分量以及对传感 器元件的不同压电系数的影响的示意顶视图说明； 图6b示出了根据本发明的实施例的传感器装置的示范性传感器元件的示意横截面说 明和布置在示范性传感器元件附近的深沟槽对作用在传感器元件上的不同应力分量以及 对传感器元件的不同压电系数的影响的示意横截面说明； 图7示出了根据本发明的实施例的形式为应力敏感电流镜电路的传感器装置的实施方 式的示意图； 图8a示出了根据本发明的实施例的具有经由数字分数值的应力补偿的PLL振荡器的示 意框图； 图8b示出了根据本发明的实施例的针对具有经由数字分数值的应力补偿的PLL振荡器 的示范性分数PLL的示意框图； 图9示出了根据本发明的实施例的直接应力补偿LC振荡器的示意框图； 图10a示出了根据本发明的实施例的具有针对积分器电流的校正DAC的应力补偿振荡 器的示意框图； 图10b示出了根据本发明的实施例的通过使用具有不同应力分量的器件的组合而具有 应力补偿积分器电流的张弛振荡器的示意框图；以及 图。 图11示出了根据本发明的实施例的具有应力传感器和温差传感器的LC振荡器的示意
【具体实施方式】
[0011]在使用附图更详细地讨论本发明之前，要指出的是，在附图中同样元件和具有相 同功能和/或相同的技术或物理效应的元件被提供有相同的参考数字，使得在不同实施例 中图示的这些元件及其功能的描述是相互可交换的，或者可以在不同的实施例中彼此应 用。
[0012]更具体地说，下面详细讨论本发明的实施例，然而，应当领会的是，本发明提供了 许多适用的发明概念，其可以被体现在各种各样的具体联系中。所讨论的具体实施例仅仅 说明制作和使用本发明的具体方式，并且不限制本发明的范围。在对实施例的下面描述中， 具有相同功能的相同或类似元件具有与之相关联的相同参考标记，并且对每个实施例将不 重复对这样的元件的描述。
[0013]在下文中，将关于在集成振荡器电路(例如LC或PLL振荡器电路）的上下文中的实 施例描述本发明。然而，本发明也可以被应用于其它集成电路，如任何集成电路，其输出信 号不旨在是依赖于物理输入信号（例如要被测量的信号，诸如外部磁场或温度或传感器信 号电压）的信号。发明概念也可以应用于稳定电压或电流参考或基于电阻器或电容器值的 参考。
[0014] 图1是用于提供应力补偿振荡器输出信号Sos。的应力补偿(集成)振荡器电路系统 10的示意框图。应力补偿振荡器电路系统10包括传感器装置100,并且配置成提供传感器输 出信号Ssens。!·，其中传感器输出信号S se_r基于在半导体衬底20中的瞬时应力或应变分量〇。
[0015] 应力补偿振荡器电路系统10还包括处理(呈现)装置200,其配置成处理或呈现传 感器输出信号Ssmsor并且配置成取决于在半导体衬底20中的瞬时应力或应变分量(如由传 感器装置1〇〇测量)提供控制信号
[0016] 应力补偿振荡器电路系统10还包括振荡器装置300,其配置成提供具有振荡器频 率f CISC的振荡器输出信号s。％，其中振荡器输出信号基于来自处理装置200的控制信号 Scontrol 〇
[0017] 控制信号Secured(由处理装置200提供给振荡器装置300的控制输入端（未示出在 图1中）)控制振荡器输出信号s_ (例如，振荡器输出信号Sosc的振荡器频率fosc或振荡器幅 度a。％)，其中控制信号。。^^减小半导体衬底中的瞬时应力或应变分量（如由传感器装置 100测量)对振荡器输出信号s。％(例如，对振荡器输出信号Seise的振荡器频率f CISC或振荡器幅 度aQS。)的影响，使得振荡器电路系统10提供应力补偿振荡器输出信号S_。
[0018] 传感器装置100、处理装置200和振荡器装置300可以被布置或集成在相同半导体 衬底20上。
[0019] 如以上指示的，由处理装置提供的控制信号s_trQl在传感器输出信号Sse_ r的基 础上被处理或呈现，并且控制振荡器装置，以便减小在半导体衬底中的瞬时应力或应变分 量(如由传感器装置100测量)对振荡器输出信号S。％的影响。因此，振荡器电路系统10提供 了应力补偿振荡器输出信号S QUt。因此，应力补偿振荡器电路系统的输出信号在不受在半导 体衬底20中的瞬时应力或应变分量的影响的公差范围内。
[0020] 关于以上指示的"公差范围"，要指出的是，在本领域中存在与在物理学的所有领 域中的理论理想情况的偏差，根据本发明补偿概念的功能的这些偏差仅需要足够小，即，在 半导体衬底中的瞬时应力或应变分量对振荡器输出信号Sosc的振荡器频率f CISC或振荡器幅 度a。％的影响被减小至少50%、80%、90%、99%、99 · 9%，即处于与理想(不受应力影响）的振荡器 输出信号的50%、20%、10%、1 %或0.1 %的公差范围内。
[0021] 此外，为了便于理解用于提供应力补偿振荡器输出信号的半导体衬底上本发明的 应力补偿振荡器电路系统的下面详细描述，提供了关于以下使用的定义的图2a-b的简要表 示，该以下使用的定义涉及所使用的半导体材料和关于半导体材料的晶体取向的在半导体 材料上的预定义方向。半导体表面(管芯或晶片表面)与晶面相关联。为了确定立方晶体的 相应平面，使用所谓的密勒指数，其被指示在背景中（下面）。例如，图2a示出了在（100)平面 中切入的例如半导体晶片的平面视图。
[0022]在晶片平面中的主晶向关于硅晶片处的所谓"主平坦部"被标记在图2a_b中。通 常，半导体芯片上的电路结构的矩形几何形状边缘与主平坦部平行和/或垂直于主平坦部 延伸。在图2a中，特别地，晶向和/或晶轴被表示在半导体晶片的平面中，这些在下面被表 示在方括号中。坐标系通常被采用，以使得[110]方向垂直于主平坦部延伸，而[110]方向与 主平坦部平行延伸。这里，方向[010]和[100]以相对于[110]方向的+/-45°的角度延伸。
[0023] 另外，角度Φ是相对于[110]方向定义的，角度Φ是在晶片的顶侧的平面视图中从 [110]方向开始以逆时针的方式计算的。通常，个体芯片位于晶片处，使得方向Φ= 0°和Φ = 90°分别对应于1C垂直和水平方向。
[0024] 因为封装的集成电路芯片通常以分层的方式来结构化，所以对平面应力条件的限 制是可能的，即对两个正应力分量σχχ, σγγ和一个切应力分量〇xy的限制，如图2b中不范 性图示的那样。根据定义，X轴和y轴布置成与半导体衬底的边缘平行。剩余应力分量基本上 是小到可以忽略的，并且仅对电子电路部件有较小影响。在离半导体芯片的边缘的足够大 的距离处并且特别是在半导体衬底的中心中，切应力分量σχγ通常小到可以忽略。因此，基本 上仅两个正应力分量(^和^咐仍被考虑。
[0025] 此外，在半导体衬底的半导体材料的半导体材料中存在各种压电效应，诸如压阻 效应、压电M0S效应、压电结型效应、压电霍尔效应和/或压电隧道效应。这些压电效应中的 每个可能由于在集成电路操作期间集成电路的半导体衬底中的机械应力而单独或组合地 对集成电路的相关电气和/或电子参数有影响。关于下面描述，一般术语"在半导体衬底中 的瞬时应力或应变分量"（即，压电效应以及还有纯应变效应)一般指代在半导体材料中的 机械应力的影响下集成在半导体衬底中的电路系统的电气和/或电子参数的改变。
[0026] 在半导体材料中的机械应力导致电荷载流子的关于电荷载流子输运的性质（诸 如，迀移率、碰撞时间、散射因子等）的变化。更一般地来说，压阻效应确定相应的半导体材 料的具体欧姆电阻在机械应力的影响下将如何表现。压电结型效应例如导致二极管和双极 晶体管的特性的改变。压电隧道效应发生在反向操作、高掺杂、浅横向ρη结处。该电流由带 间隧道效应支配，并且也取决于应力。因此，作为传感器装置100的传感器(例如压电应力传 感器)的传感器输出信号可以用于补偿压电应力的影响。
[0027] 根据实施例，传感器装置100的压电应力传感器的传感器输出信号SsensQr也可以用 来补偿应变效应。更具体说，（LC)振荡器的金属电感线圈的扩展例如仅根据芯片(=半导体 衬底)弯曲而变化。然而，可以忽略在金属线圈中的压电效应。仅仅由于芯片弯曲，线圈元件 的大小改变，并且因此它的电感以及导电迹线的宽度和相应地其内部电阻改变。这些效应 是纯应变效应，并且由于胡克定律可描述(弹性形变的情况）。
[0028] 根据实施例，处理装置200可以配置成考虑塑性形变情况和粘弹性形变情况，其中 温度和应力的历史由传感器装置100检测并且被锁存在与处理装置200相关联的存储器(未 示出在图1中）中，其中基于存储在存储器中的信息和由传感器装置100测量的瞬时应力或 应变分量，处理装置200可以生成和提供控制信号(例如，校正信号），其中可能包括多个部 分控制信号或不同的校正信号的控制信号取决于测量的应力或应变的方向和在半导体衬 底中的温度偏差(或温度梯度）。
[0029] 根据实施例，传感器装置、处理装置和振荡器装置被集成在相同半导体衬底上。
[0030] 根据实施例，该传感器装置包括多个传感器元件，每个传感器元件感测在半导体 材料20中的瞬时应力或应变分量σ。
[0031] 根据实施例，多个传感器元件配置成感测彼此正交的和在关于半导体衬底表面的 平面中的瞬时应力和应变分量σχχ， 〇yy。
[0032] 根据实施例，多个传感器元件是压电敏感传感器元件。
[0033] 根据实施例，压电敏感传感器元件在半导体材料中关于半导体材料的表面横向 和/或垂直延伸，并且具有高的温度系数同步，例如在1〇%、5%或更少(+/-10%，+/_5%或更少） 的公差范围内。
[0034] 根据实施例，多个传感器元件包括L形传感器元件并且跨半导体衬底的表面空间 分布。
[0035] 根据实施例，L形传感器元件是压电敏感的扩散电阻器，其例如具有所产生的应力 系数，该系数独立于在半导体衬底中的影响应力或应变的方向。
[0036] 根据实施例，该多个压电敏感传感器元件包括具有第一应力系数的第一数目的压 电敏感传感器元件，并且包括具有第二应力系数的第二数目的压电敏感传感器元件，其中 第一和第二应力系数是不同的。
[0037] 根据实施例，第一数目的压电敏感传感器元件提供具有第一应力分量相关性的第 一应力相关传感器信号，并且第二数目的压电敏感传感器元件提供具有第二应力分量相关 性的第二应力相关传感器输出信号，其中第一应力相关信号具有关于半导体衬底中的正应 力分量总和(σ χχ + 〇yy)的应力分量相关性，并且其中第二数目的压电敏感传感器元件提供 具有关于半导体衬底中的正应力分量差(σ χχ - 〇yy)的应力分量相关性的第二应力相关信 号。
[0038] 根据实施例，该应力补偿振荡器电路系统还包括在半导体衬底上或半导体衬底中 的温度传感器元件，用于提供关于半导体衬底的瞬时温度的温度传感器信号。
[0039] 根据实施例，该温度传感器装置包括空间分布在半导体衬底的表面之上的多个温 度传感器元件。
[0040] 根据实施例，多个温度传感器元件形成温差传感器装置。
[0041] 根据实施例，该处理装置配置成执行前馈传感器输出信号处理，即没有反馈回路， 用于将控制信号作为应力补偿信号提供给振荡器装置。
[0042] 根据实施例，该处理装置配置成检索查找表或基于传感器输出信号计算多项式函 数，以便确定控制信号。
[0043]根据实施例，该处理装置配置成处理传感器输出信号，以便提供作为多个部分控 制信号的组合的控制信号，其中每个部分控制信号控制振荡器输出信号的振荡器频率，并 减小在半导体衬底中的不同瞬时分量对振荡器输出信号的振荡器频率的影响。
[0044]根据实施例，该处理装置处理第一和第二应力相关传感器信号以提供第一和第二 (部分)控制信号(分离振荡器的X应力和Y应力相关性），其中第一控制信号被处理以减小振 荡器装置的X应力相关性，其中第二控制信号被处理以减小振荡器装置的Y应力相关性。 [0045]根据实施例，该处理装置配置成处理传感器输出信号以便提供控制信号，其中控 制信号包括第一 (X控制信号）和第二(y控制信号）部分控制信号以针对半导体衬底中的振 荡器装置的不同应力分量相关性提供第一和第二(不同）部分校正信号。
[0046]根据实施例，该处理装置配置成处理来自多个温度传感器元件的传感器输出信号 以确定针对半导体衬底中的温度梯度诱发的温度相关应力效应，并且提供控制信号，该控 制信号减小半导体材料中瞬时温度或温度梯度对振荡器输出信号的振荡器频率的影响，使 得针对振荡器输出信号的振荡器频率的热梯度诱发的应力效应被减小或补偿。
[0047]根据实施例，振荡器装置包括分数PLL回路中的振荡器，其中分数PLL回路具有(例 如数字)分数分频器，其中该处理装置配置成处理传感器输出信号，并且提供控制信号，其 中控制信号控制振荡器装置的分数PLL回路的分数分频器，以便减小半导体衬底中的瞬时 应力分量对振荡器输出信号的振荡器频率的影响。
[0048]根据实施例，振荡器装置包括:直接应力补偿LC振荡器或具有用于偏置电流、可切 换电容和/或电压相关电容的校正DAC的应力补偿振荡器。
[0049]根据实施例，振荡器装置包括利用应力补偿积分器电流或应力补偿参考电压或应 力补偿集成电容的张弛振荡器。
[0050] 根据实施例，该处理装置配置成提供多个部分控制信号以调整至少两个下面的电 气特性的组合，电气特性包括积分器电流、参考电压和/或积分器电容，以便减小半导体衬 底中的瞬时应力分量对振荡器输出信号的振荡器频率的影响。
[0051] 根据实施例，集成电路包括应力补偿振荡器电路系统，以及用于基于或使用由应 力补偿振荡器电路系统提供的应力补偿振荡器输出信号执行处理操作的处理电路系统。 [0052]根据实施例，将应力补偿振荡器电路系统和处理电路系统集成在相同半导体衬底 上。
[0053]根据实施例，应力补偿振荡器电路系统的处理装置和处理电路系统在半导体衬底 上通常共享或双重使用集成硬件。
[0054]根据实施例，应力补偿振荡器电路系统的处理装置和处理电路系统通常使用具有 在相同半导体衬底上定义的温度系数的ADC温度传感器、电压参考、电压供给和。
[0055]本发明的实施例是有优势的，因为它们提供应力补偿振荡器电路系统，用于提供 具有高精度和寿命稳定性结合非常低的温度偏移和低功率或相位噪声的（应力补偿)振荡 器输出信号f osc。因此，根据本发明的实施例，没有外部部件的准确和便宜的、低功率噪声 或低相位噪声片上振荡器对于具有数字协议或RF接口的大量各种不同集成电路是可实现 和可行的。根据实施例，甚至在不对晶片进行修整的情况下，可以实现在寿命和温度范围内 的非常高的精度和稳定性。
[0056] 基于发明概念，现在有可能取代晶体振荡器，以便可以避免附加的引脚和昂贵的 外部部件。
[0057] 此外，根据发明概念，用于补偿封装效应的以预定频移对晶片的修整可以被避免。 根据发明概念，不仅可以对系统的改变进行补偿，而且可以考虑频移的非统计传播。此外， 可以预先补偿不可预知的寿命变化。
[0058] 此外，实施例是有优势的，因为它们提供了对外部时钟信号的可能同步，而不需要 使用额外引脚或同步开销，并且不需要附加的PLL电路。
[0059]此外，实施例是有优势的，因为它们提供了与MEMS振荡器相比时的自动化应力补 偿振荡器电路系统概念，MEMS振荡器仍然需要用昂贵技术的微处理器芯片的顶上的分离芯 片，并且不如晶体振荡器那么准确且难以稳定。
[0060]根据实施例，应力补偿振荡器电路系统10的处理装置200处理来自传感器装置100 的传感器输出信号，并确定针对振荡器输出信号的应力补偿的控制信号或多个部分控制信 号(分量）。控制信号(应力相关的影响信号)不一定需要用于存储比较值的存储器。
[0061 ]根据实施例，执行频率确定分量与不同应力分量的组合，使得不同的应力分量抵 消。例如，具有正应力系数(即，横向η扩散)的第一电阻元件(如L形的装置)和具有负应力系 数(例如，垂直η扩散)的第二电阻元件(如L形的装置)用于传感器装置100的传感器元件。 [0062]根据实施例，应力传感器(具有多个传感器元件的应力传感器装置100)被使用，其 中所产生的应力信号（按传感器的传感器输出信号）与振荡器电路系统的非期望影响参数 "关联"，并且应力信号被用于应力补偿，即由处理装置200使用以用于确定控制信号 Sc。ntr。l。例如，应力传感器提供了（σχχ+σγγ)应力相关信号（取决于正应力分量的相加)和 (σχχ - σγγ)应力相关信号（取决于正应力分量差），以针对半导体衬底(传感器管芯）中的X 方向和y方向确定不同的校正信号（不同的控制信号Sccmtrol)。在这一点上，它指出如下事 实:平行于沟槽的长电阻器具有除了特定于该沟槽以外的另一种应力影响。
[0063]根据实施例，使用应力补偿RC张弛振荡器，该张弛振荡器控制（分数)PLL回路中的 LC振荡器。
[0064]根据实施例，使用温差传感器来确定特别是在LC振荡器中的应力效应(连同应力 补偿或单独），以便补偿热梯度诱发的应力效应。
[0065]图3示出了包括图1的应力补偿振荡器电路系统10和处理电路系统40的集成电路 30的示意框图，该处理电路系统40用于基于或使用由应力补偿振荡器电路系统10提供的应 力补偿振荡器信号Sos。执行处理操作。
[0066]根据实施例，可以将应力补偿振荡器电路系统10和处理电路系统40集成在相同半 导体衬底20上。
[0067]根据实施例，应力补偿振荡器电路系统10的处理装置200和处理电路系统40在半 导体结构上通常共享或双重使用集成硬件元件40a。通常共享的集成硬件通过虚线区40a (即，集成电路30的应力补偿振荡器电路系统10和处理电路系统40的重叠区域)指示在图3 中。
[0068]根据实施例，应力补偿振荡器电路310的处理装置200和处理电路系统40在与通常 共享的集成硬件40a相同的半导体衬底20上通常使用例如具有定义的温度系数的ADC、温度 传感器、电压参考、电压供给和/或偏置电流供给。
[0069] 处理电路系统40可以包括或可以被实施为微处理器或RF芯片（即，处理或提供RF 信号的电路系统）。因此，处理电路系统40可以被实施为专用信号处理电路。
[0070] 根据实施例，集成电路30包括:应力补偿振荡器电路系统10,以及用于基于由应力 补偿振荡器电路系统10提供的应力补偿振荡器输出信号执行处理操作的处理电路系统40。
[0071] -般地，应力补偿振荡器电路系统可以被视为一般电子电路系统，该电子电路系 统用于提供"恒定"（例如自生成）的输出信号，即，与用于检测环境变量(例如，外部磁场或 温度相关信号或电压相关信号）的传感器装置相对。因此，发明概念也可以应用到任何电路 系统，诸如应用到电压、电流电阻器或电容器参考，它们应该没有对其它物理或老化效应的 交叉敏感度。
[0072]根据实施例，集成电路30可以是具有片上振荡器(例如具有微处理器、存储元件、 带有片上信号处理器的传感器IC、RF信号处理芯片（例如，WLAN)、收发器芯片等）的单片集 成整体系统。
[0073] 本发明的实施例是有优势的，因为它们相比于纯振荡器芯片提供了大量的附加功 能或主要功能。此外，集成电路30允许借助于应力补偿振荡器电路系统10对半导体芯片上 的另外的集成硬件(例如ADC、温度传感器、电压参考、电压供给和/或具有定义的温度系数 的偏置电流的提供等)的双重使用。
[0074] 本发明的实施例是有优势的，因为它们提供了集成电路30,该集成电路30比先前 已知方案在封装中需要更少的面积、更少的互连和更少的芯片。
[0075] 集成电路30允许芯片生产期间的共同调整，使得关联的调整努力被减少。集成电 路30通过忽略原本必要的互连驱动器而具有减小的功耗。集成电路30允许借助于微处理器 或WLAN芯片控制振荡器10的接通和关断，以在闲置中断中节省能量并且允许快速唤醒行 为，快速唤醒行为本来将需要附加的引脚(互连)和硬件。根据实施例，集成电路30提供对微 处理器芯片的广泛温度测量，其中广泛的闪速或EEPR0M存储选项和软件或现有硬件的广泛 选项允许非常复杂和广泛补偿算法的提供。
[0076] 图4示出了（对示范性的低功率R-C张弛振荡器的)应力测量的示意图，其示出振荡 器输出信号的振荡器频率的典型偏移行为对半导体衬底中的瞬时应力或应变分量。以半导 体衬底中的X方向（导致X-偏移)和y方向（导致y-偏移）的应变分量的不同瞬时面内应力指 不振荡器输出信号的偏移。
[0077] 如由图4的测量值所示出的，关于施加应力的X方向和y方向（例如，在弯曲试验中） 存在(张弛)振荡器的不同相关性。因此，图4的图示出了 X方向和y方向上不同的应力校正或 应力补偿的意义和关联性，例如确定半导体衬底20中的X方向和y方向上的不同压电应力分 量的关联性。
[0078]如图4中指示的这样的效应（即，电路系统的X方向和y方向上的不同应力相关性） 由于如下事实而出现：电阻器和/或晶体管或其它电气或电子元件具有相对于半导体衬底 (1C)的边缘的不同位置或具有相对于相邻的绝缘沟槽的不同位置。这些效应仍将在例如关 于图5a_b、6a_b和11的下文中被彻底地描述。
[0079]图5a_b示出了应力补偿振荡器电路系统10的传感器装置100的进一步实施例。更 具体地，图5a示出了根据本发明的实施例的针对传感器装置100的不同实施方式的不同的、 示范性的传感器元件110、120和130的示意框图。
[0080] 如在图5a中指示的，第一L形电阻器110包括第一和第二电阻器元件110-1、110-2， 第二L形电阻器120包括第一和第二电阻器元件120-1、120-2并且第三电阻器包括第一和第 二电阻器元件130-1、130-2。电阻器中的每一个优选地连接在供应信号源140和接地触点之 间。传感器输出信号Sse_r由形式为σ/Τ-ADC电路的读出电路150来提供，σ/Τ-ADC电路由参 考电压Vref提供。σ/Τ-ADC电路可以以复合序列测量应力分量（即，σ χχ+σγγ=σ和σχχ-σγγ=σ和温 度Τ)。可以优选地以仅一次温度测量(单个温度修整点)做出振荡器频率以及应力和温度传 感器的调整。
[0081] 如在图5a中指示的，读出电路150根据不同互连选项可连接到第一、第二和/或第 三电阻器110、120和130。用于读出第一、第二和第三L形电阻器的不同配置被详细指示在下 文中。
[0082] 第一和第二电阻器110和120是具有相同大小的两个电阻器元件的所谓L电阻器， 该两个电阻器元件被布置成使得它们彼此垂直并且在半导体衬底20中/在半导体衬底20上 处于"直接"相邻于彼此。此外，两个正交布置的电阻器元件并联(元件110-1和110)或串联 (元件120-1、120-2)电连接，或者电阻器元件连接到多路复用器，多路复用器允许以顺序的 方式对电阻器元件进行测量。
[0083] 如在图5b中指示的，左边电阻器元件示出L形电阻器110或120的电阻器元件110_ 1、110-2、120-1、120-2的可能实现。如在图5b的左图中示出的，电阻器元件被指示为电阻器 元件Riv,n。索引η(= η扩散)指示：电阻器元件是两个接触结构"η触点"之间的半导体衬底中 的η掺杂电阻区(η外延层或η讲冲的电阻元件。此外，索引"lv"指示具有横向部分和垂直部 分的两个接触区之间的电流流动。
[0084] 如在图5b中指示的，右边电阻器元件指示第三电阻器130的电阻器元件130-1、 130-2的可能实施方式。如关于电阻器元件Rv,n示出的，该电阻器元件也是η扩散电阻器元 件，然而，仅仅具有从η触点穿过η外延层或η阱到具有可忽略横向串联电阻的η埋层的垂直 电流方向。
[0085]在图5a中，指示了所产生的电阻与半导体衬底中的应力或应变分量的相关性。此 外，指示了第一L电阻器110相对于第二L电阻器120角度偏移45°。
[0086] 如在图5a中指示的，左边45°-L电阻器110(包括电阻器元件110-1和110-2)提供了 应力相关输出电压，该应力相关输出电压具有(σχχ - σγγ)敏感度E!，其中Ei = 1 + 155.6% GPa(〇xx-〇YY)。因此，L电阻器110提供了应力相关输出信号，该应力相关输出信号取决于半 导体衬底中的正应力分量 σΧΧ、σΥΥ之间的差，并且σ = σχχ _ σΥΥ。
[0087] 此外，如作为在图5a中的另外选项被指示的，第二L电阻器120和垂直电阻器130之 间的信号差（电压差)提供应力相关电压，该应力相关电压具有(σχχ + 〇yy)敏感度E2,其中E2 =1 + (43.2-22.5)%/GPa。因此，第二和第三电阻器120、130的组合关于正应力分量的和敏 感，并且 σ = σχχ + σγγ。
[0088] 图6a_b示出了根据实施例的布置在示范性电路元件（其确定了振荡器频率）附近 的深沟槽对作用到电路元件的不同应力分量和电路元件的不同压电系数的影响的示意图 (作为顶视图和作为横截面视图）。示范性电路元件例如是RC张弛振荡器的电阻元件、应力 传感器元件和/或用于电流镜电路的晶体管元件(其提供偏置电流给LC振荡器)等。
[0089] 图6a提供了电阻器(n-MOS或poly)、晶体管(未示出）和绝缘沟槽114的示范性布局 布置(顶视图）。绝缘沟槽(深或浅的沟槽）114具有相对于衬底20的硅材料非常不同的弹性 模量(modulus)。因此，隔离沟槽114生成甚至具有均匀y平面内应力的不同应力变化。这通 过不同应力分量σγγ和σχχ指不。如所指不的，局部生成的应力σχχ、σγγ可以在大小和方向方面 不同。
[0090] 此外，存在另外的电路元件（电阻器、晶体管(未示出在图6a中）等），它们被布局在 特定方向上，并且因此也示出对X和y应力或应变的不同反应。因此，这些电路元件（未示出 在图6a中）相对于沟槽或芯片边缘的位置是相关的，并且应当在借助于处理装置200处理和 确定控制信号时被考虑。在这方面，它进一步向外指向关于图4的解释。
[0091] 图6b示出了根据本发明的布置在示范性电路元件或传感器元件附近的深沟槽对 作用到电路元件或传感器元件的不同应力分量和电路元件或传感器元件的不同压电系数 的影响的示意图（作为横截面视图）。
[0092]图6b示出了在半导体衬底116b的η外延区116a内的形式为η沟道晶体管116的示范 性电路元件。FET 116借助于深沟槽116c与邻近的电路元件(未示出在图6b中）分离。金属化 层118(Metl，Met2)提供到另外电路元件（未示出在图6b中）的电气互连。
[0093]如在图6b中指示的，在半导体衬底的深区中，应力分量(深应力）可以在电路元件 中发生。表面上的晶体管或电阻器受该局部应力效应影响。即，η扩散源极和漏极触点之间 的η沟道晶体管的迀移率受应力影响。
[0094]根据实施例，下面的考虑基于关于图5a_b和6a_b的解释，并且提供进一步信息以 用于提供针对应力补偿振荡器电路系统10的改进的应力传感器装置100。
[0095] 在下文中，可以根据实施例结合两个考虑。 1) 应力分量σχχ和σγγ的任何组合可以基于两个信号（即，信号Sp= σχχ + σγγ和信号Sm =〇χχ - σγγ)πχ?^||0 2) 针对Sp和Sm的应力传感器可以以高敏感度以及由于温度变化和制造公差引起的较 小误差测量两个组合的应力传感器分量Sp = σχχ + σγγ和Sm = σχχ - σγγ。
[0096] 从例如以上描述的示例可以采用针对Sp的应力传感器。为此，可以比较两个不同 掺杂电阻元件(例如，η掺杂与p掺杂电阻器或NM0S与PM0S或低掺杂η电阻器与高掺杂η电阻 器）。替代地，具有不同压电应力相关性的横向和垂直电阻元件可以彼此比较，其中第一个 具有主要在横向方向（平行于芯片表面)上的电流流动，并且后者具有主要是在垂直于芯片 表面的方向上的电流流动。上一个解决方案的优点是更好的温度差和更低的技术扩散。 [0097]然后，当机械张力或应力变化时，电阻器之间的比率变化，或例如，M0S晶体管的电 导率和双极晶体管的VBE或β(所有的压电效应）。
[0098] 通过在布局中旋转电阻器或M0S晶体管的矩形布置45°，可以测量σχγ而不是σχχ -σγγ，其中，用ρ掺杂元件，针对σχγ产生更高敏感度，并且用η掺杂元件，针对σχχ -σγγ产生更高 的敏感度。
[0099]针对Sp和Sm的组合手段可以是线性组合，例如利用任何系数kl，k2(特别是，kl = 1和k2 = 1或k2 = -1)的kl*Sp+k2*Sm。非线性组合也是可能的，诸如利用实值指数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方向上校正应力敏感度。这例如对不同邻近布局 (例如沟槽)或到芯片边缘的不同距离是必要的。
[0101] 图7示出了根据实施例的形式为应力敏感电流镜电路的传感器装置100的示意图。 应力敏感电流镜电路包括MOSFET 119a、119b，它们以+/-45° L形布局被布置在半导体衬底 中，使得通过第一 FET 119a的产生的电流沿[010]方向流动（参见图2a)和通过第二FET 11%的产生的电流沿[100]方向流动(参见图2a)。
[0102] 基于FET 119a、119b的该电路配置，产生的应力分量σ=σχχ-σγγ可以经由针对图7中 的n-Mos晶体管的电流lout与I in的比率来测量。
[0103] 替代地，如果将使用n-MOS晶体管的0°/ 90°L形布局(未示出在图7中）而不是+/-45°布局（如图7中示出），则产生的应力分量σ=σχχ+σγγ可以经由电流lout与Iin的比率来测 量。
[0104] 图8a示出了根据实施例的应力补偿振荡器电路系统11的示意框图，其中振荡器装 置300包括具有经由数字分数值的应力补偿的PLL振荡器320。图8b示出了根据实施例的示 范性分数PLL320(PLL为锁相环）的示意框图。
[0105] 如图8a中所示，传感器装置100包括应力传感器102并可选地包括温度传感器104。 按传感器的传感器输出信号被提供给处理装置200,其中处理装置200包括多路复用器210、 LP-ADC 220(低功率模拟/数字转换器)和电路230,电路230用于查询表(例如查找表)或用 于计算多项式函数（即，多项式函数或分段线性函数或任何其它数学函数的项）。这些函数 可以包括温度相关系数。
[0106] 处理电路200作为输出信号提供控制信号Sccintrcil给振荡器装置300。振荡器装置 300包括精密张弛振荡器310、用于提供补偿振荡器输出信号 Scis。的分数PLL振荡器320和可 选地包括可编程计数器或分频器电路330。
[0107] 图8b示出了分数PLL电路的示例。如图8b中所示，分数PLL振荡器320包括作为参考 源sref，其例如采用精密张弛振荡器310的形式。分数PLL振荡器320包括相位检测器PFD 321、滤波电路322、和电压控制振荡器323、以及反馈回路中的固定1/A分频器电路324和分 数1/N分频器电路325。
[0108] 相位检测器321比较它的两个输入信号，并产生误差信号，该误差信号与其相位差 成比例。误差信号然后在电路322中被低通滤波，并且用于驱动压控振荡器VC0 323,压控振 荡器VC0 323创建输出相位。通过分频器（固定分频器电路324和分数分频器电路325)将输 出信号反馈到系统的输入，从而产生负反馈回路。分数分频器电路325配置成根据数字分数 分频器的下面的关系提供参考颇銮的韭整教倍，
其中项k/M取决于控制信号s_trcii。
[0109] 分数分频器电路还可以与伪随机或Sigma Delta调制组合，以便降低在振荡器输 出信号处的噪声。振荡器输出信号具有低相位噪声，并且同时被温度和应力补偿。
[0110]在下文中，如图8a_b中图示的应力补偿振荡器电路系统100的功能根据实施例进 行详细解释。
[0111] 应力传感器102和(可选地)温度传感器104不时经由多路复用器210用低功率ADC 220来查询，例如每0.5"_2ms进行查询以便能够遵循热瞬态时间，或在1C已处于休眠模式时 甚至每几秒进行查询。数字结果经由在多项式计算(例如，一阶和二阶）的帮助下计算数字 分频比(N+k/M)的计算单元23或查找表影响分数PLL320的数字分频器325。
[0112]应力相关分频比可以被叠加到不同分频比用于精细调谐输出频率(未示出在附图 中）。
[0113]在分数PLL320中的高(但精细调谐和应力补偿）的输出频率fQSC可以例如由LC振荡 器(例如，2.4 GHz)生成，LC振荡器最初不是非常准确的。准确(但仍然是应力补偿）的精密 张弛振荡器310以fref(例如100 kHz)提供参考信号Sref，通过该参考信号将输出的分数分频 振荡器频率fose下分频。
[0114] 通过分数分频(例如，分频比间歇地从1/N变化到l/(N+k/M)，例如1/4变化到1/5)， 非常精细调谐的输出频率可以被设置，并且因此非常精细调谐的温度和应力补偿和精细调 谐的振荡器频率可以被执行。
[0115] 优点是精密张弛振荡器示出非常良好的基本精度，但仅提供固定频率，而输出信 号可以是非常精细调谐的，并示出低的相位噪声。
[0116] 此外，可以通过s igma-de 1 ta方法在时间上分布分数分频比，使得其可以被容易地 过滤，以提供低噪声输出频率。
[0117] 通过下分频该输出频率，也可以提供非常准确的时间基准用于其它应用（以虚线 示出）。例如，对于特定的协议要求或对于具有作为参考的时间基准的传感器。
[0118] 可以例如利用下述公式来形成多项式：
其中 ΔΤ = T-Tref T为测量温度 Tref为参考或调整温度 Doutl为数字多项式部分结果 Doutlref为数字参考值
其中 Δσ = oxx-oxxref σχχ为在针对晶片管芯的晶向的X方向上测量的压电效应 〇xxrrf为在参考时间的应力测量值 Dout2为数字多项式部分结果 Dout2ref为数字参考值
其中 Δ〇 = Oyy-Oyyref 〇yy为在针对晶片管芯的晶向的X方向上测量的压电效应 〇yyrrf为在参考时间处的应力测量值 Dout2为数字多项式部分结果 Dout2ref为数字参考值 0XX和Oyy可以从提供例如0XX +Oyy或0XX -Oyy的优选压电分量传感器进行计算。
[0119] 如图8b所示，由处理装置200提供的控制信号控制分数PLL振荡器320的分数分频 器电路325。
[0120] 图9示出了根据另一实施例的应力补偿振荡器电路系统12的示意框图，其中应力 补偿振荡器电路系统12包括直接应力补偿LC振荡器340。
[0121] 如图9中所示，应力补偿振荡器电路系统10包括具有应力传感器电路102和可选的 温度传感器电路104的传感器装置100。处理装置200包括多路复用器电路210、LP-ADC电路 220和用于查询LUT(查找表)或计算多项式函数(即，多项式函数的项）的电路230和DAC电路 240(DAC为数字/模拟转换器)240。
[0122] 振荡器装置300包括用于提供具有振荡器输出频率fQSC的振荡器输出信号Sosc的LC 振荡器340。
[0123] 振荡器340可以是LC振荡器，但是张弛振荡器或环形振荡器的使用也是可能的，其 被提供在芯片20上并且经由DAC 240根据AD转换应力和/或温度信号Sse_r被直接校正。为 此，数字应力和温度信号经由查找表再次被读出或借助于电路230经受多项式计算。通常， 多项式计算需要少得多的EEPR0M存储器位和较少参考点。
[0124] 在这方面，指出的是，温度传感器直接对振荡器的模拟补偿也将是可能的，但更复 杂的补偿和更高阶的补偿以及传感器之间和到振荡器的交叉耦合可能阻碍调整。压电应力 分量本身例如是温度相关的。将应力电压转化到振荡器频率的模拟复制电路可能具有本身 的不准确性，该不准确性也可以是温度和应力相关的（例如，在模拟复制电路中的0PV(运算 放大器)的偏移）。如上述的，模拟元件的精细调谐可能难以执行。
[0125] 图10a示出了应力补偿振荡器电路系统13,其中传感器装置100包括用于提供传感 器输出信号sse_ r给处理装置200的应力传感器。处理装置200包括ADC电路210、用于查询查 找表或用于计算多项式函数(即多项式函数的项）的电路230和用于提供控制信号^^^的 数字校正DAC电路250。
[0126] 振荡器装置300可以包括张弛振荡器360,张弛振荡器360具有由电压参考提供器 362提供给比较器364的电压参考VH、VL。可上下切换积分器电流366-1，366-2,两个阈值比 较器364和控制信号Sc^ntroi，例如应力以及可选地温度相关的DAC补偿信号。如图10a中所 示，对积分电流366-1，366-2进行调谐。
[0127] 如图10a所不，由DAC 240输出的控制信号Scontroi可以切换积分器电流366-1，366_ 2。替代地或者附加地，DAC 240也可以改变电压参考(例如，具有电压输出的DAC)或切换电 容场(C阵列，C-DAC)。因此，图10a示出了具有针对积分器电流的校正DAC的应力补偿振荡 器。
[0128] 图10b示出了类似于图10a的应力补偿振荡器电路系统的本发明的应力补偿振荡 器电路系统的进一步实施例。图l〇b示出了应力补偿振荡器电路系统14,其中传感器装置 1〇〇包括用于提供传感器输出信号Ssensor给处理装置200的应力传感器。处理装置200处理传 感器输出信号s se_r并且提供"模拟"控制信号&^^。振荡器装置300可以包括张弛振荡器 360,张弛振荡器360具有由电压参考提供器362提供给比较器364的电压参考VH、VL以及积 分器电流366-1，366-2。
[0129] 如图10b中所示，在张弛振荡器360中指示积分电流也可以以模拟方式进行应力补 偿。如所提到的：实际实施方式可能更难且不太准确，但更加面积高效。可以通过混合具有 不同应力相关性的电流生成子电流。这在下面的公式中被指示。因此，图l〇b示出了通过使 用具有不同应力分量的设备的组合而具有应力补偿积分器电流的张弛振荡器。
[0130] 针对用于补偿电路中的应力效应的加权偏置电流生成的示例：
示例:张弛型振荡器360使用积分电流Iint、两个参考电压VH = Vref+和VL = Vref-以 及积分电容器Cint。通过在电容器Cint上对电流Int进行上下积分直到达到参考电压Vref+或 Vr ef-，建立输出频率f osc。
[0131] 基于带隙的参考电压Vref+或Vref-是温度补偿的并且只有一点点应力相关（由于 小的压电结型效应和所使用的电阻器的压阻效应的小的影响，这改变偏置电流，并且因此 仅由于从集电极电流到Vbe的对数函数而Vbe=Vntat)。电容器C int也是几乎应力独立的。在 比较器364中的延迟针对振荡器频率fQSC减小一点点并且是有点应力相关的，因为在差分输 入对中的迀移率由于压电M0S效应=晶体管沟道中的压阻效应而有点应力相关。主应力影响 来自带隙中所使用的偏置电阻器，其具有大的压阻效应，并被镜像到积分电流I int。
[0132] 用低技术扩散的积分电流Iint的温度补偿可以通过以下方式实现:加上或减去来 自于具有不同温度梯度的带隙电路中使用的电压(Vptat和Vntat)的电流。在两个电压分支 中，相同电阻器类型的电阻器通常用来抑制对I int的TC(温度系数)的技术影响力。最后，Iint 或Cint被修整成期望的f_，但其通常可以只在一个温度下完成。
[0133] 所产生的fw。主要与1/R应力相关，其中R=f(〇)。经常使用的η掺杂多晶硅电阻器具 有-11%/GPa的应力系数，这由于正常的封装工艺导致在芯片的中间和周围的200MPa的平面 内应力下大约3%的频移，并且由于湿度改变和寿命效应以及焊接导致大约+/-0.7%不稳定 性。
[0134] 但是在沟槽的附近，应力可以以不同的方式(X或X相关性的值)改变，但是仍与全 局应力相关联。这可以用第二恒定电流来补偿，这也使用带隙固有电压Vptat和Vntat来实 现温度补偿。例如，具有+4.4%/GPa的L形P掺杂电阻器可以被添加在相同或不同的带隙电路 中，该带隙电路具有与基于η多晶硅的电流相比大约4.4/11的电流比。L形的扩散电阻器对 于使应力系数独立于应力方向是重要的。
[0135] L形臂的差异可以用于分离振荡器的X和Υ应力相关性。所产生的Iint现在可以被设 计成几乎被应力补偿或两种电阻器类型之间的比率现在可以被调整成补偿比较器延迟或 参考电压或电容器中的剩余应力效应。对于应力和温度的一阶补偿而言，用固定的比率调 整它是足够的。
[0136] 图11示出了根据进一步实施例的形式为具有应力传感器和温差传感器(即经由差 分电压测量的应力测量)的LC振荡器的应力补偿振荡器电路系统15。根据实施例，图11示出 了根据本发明的实施例的应力补偿振荡器电路系统15的示意图，应力补偿振荡器电路系统 15例如具有LC振荡器340以及在半导体衬底20上的应力传感器102-1到102-4和温差传感器 104-1到104-4。
[0137] L形45°电阻器102-1、102-3与垂直电阻器102-2( 102-4)-起提供针对X和Y应力相 关性的补偿信号VdPV2:
因此，针对X和Y方向的不同应力补偿信号可用于补偿在(LC)振荡器360中的应力效应。 这些应力效应与芯片的机械弯曲效应相关联，并且主要负责于寿命变化或封装效应。
[0138] 图11的LC振荡器340的布局布置包括对称围绕的应力传感器102-1到102-4,用于 确定应力平均值和温度平均值，并且如果可能的话，对应力梯度不示出反应。对称布置的温 度传感器104-1到104-4被布置用于经由平均值确定温度而非温度梯度。此外，温度传感器 是径向布置的，其中温度差测量可以在对称布置的温度传感器之间进行以确定温度梯度。 可以例如稍微改变线圈在管芯上的位置或周界的温度梯度(例如，由线圈中的功率引起)或 位置可能受梯度引起的应力效应影响。
[0139] 在下文中，以上关于图1-11描述的不同实施例的不同方面的概述被提供用于方便 理解具有应力补偿以减小封装和寿命变化的片上振荡器的发明的实施方式。
[0140]根据实施例，应力补偿振荡器电路系统使用从应力传感器导出的数字值来改变分 数分频器的数字输入。
[0141]根据实施例，应力补偿振荡器电路系统使用管芯的全局X和Y方向应力效应到局部 X和Y应力效应之间的关联性。
[014 2 ]根据实施例，执行频率确定分量与不同应力分量的组合，使得不同的应力分量抵 消。例如，具有正应力系数(即，横向η扩散)的第一电阻元件(如L形的装置)和具有负应力系 数(例如，垂直η扩散)的第二电阻元件(如L形的装置)被用于传感器装置100的传感器元件。
[0143] 根据实施例，应力传感器(具有多个传感器元件的应力传感器装置100)被使用，其 中所产生的应力信号（按传感器的传感器输出信号）与振荡器电路系统的非期望影响参数 "关联"，并且应力信号被用于应力补偿，即由处理装置200使用以用于确定控制信号 Sc。ntr。l。例如，应力传感器提供了（σχχ+σγγ)应力相关信号（取决于正应力分量的相加)和 (σχχ-σγγ)应力相关信号(取决于正应力分量的差），以针对半导体衬底(传感器管芯）的X和y 方向确定不同的校正信号(不同的控制信号8。。1^。1)。在这方面，它指向如下事实，平行于沟 槽的长电阻器具有除了特定于该沟槽以外的另一种应力影响。
[0144] 根据实施例，使用应力补偿RC张弛振荡器，其控制在（分数)PLL回路中的LC振荡 器。
[0145] 根据实施例，使用温差传感器来确定特别是在LC振荡器中的应力效应(连同应力 补偿或单独），以便补偿热梯度诱发的应力效应。
[0146] 附加或替代地，一些应力分量可以用温差传感器在顶部上进行测量。
[0147] 恒定的电流参考或应力相关偏置电流可以通过使具有不同机械应力系数的两个 不同温度恒定(或具有带隙定义的温度系数)电流源相加或相减被建立。这可以通过在电流 源和基于带隙的复制电路中使用两个不同的电阻器类型来完成。
[0148] 根据实施例，对晶片平坦部的45°和具有〇xx+〇yy = -24%/GPa (总和）以及〇xx-〇yy =+155.6%/Gpa的正压阻效应的横向L形η扩散或η阱电阻器与具有〇xx+〇yy = +52%/GPa (总 和）的垂直η扩散或η阱电阻器结合使用。借此，不同（X和Y)应力相关校正信号可以被导出。 该校正信号可以是模拟电压或电流或电阻器或经由ADC从应力传感器导出的数字校正信 号。
[0149] 以上关于图1-11描述的实施例的优势在于相应地实施的应力补偿振荡器电路系 统10示出了为现有技术的相当的振荡器电路系统的1/5到1/10的封装变化。此外，可以提供 具有低得多的寿命变化和更高稳定性的低成本和低变化的片上解决方案。此外，封装中的 焊接和工艺改变或封装中湿度改变不导致频率改变。只需要在任何温度用振荡器输出频率 fosc针对振荡器输出信号Sos。的单点调整。对于更高的精度而言，两点调整也是可能的。然 而，没有针对应力补偿的进一步两点调整是需要的。此外，固定的应力系数可以用于集成电 路的一个特定设计。发明的振荡器电路系统还提供在通电后快得多的稳定时间（例如10倍 的速度）。基于发明概念，对于许多应用，可以将晶体振荡器电路或MEMS振荡器电路从集成 电路中移除。
[0150]虽然本发明及其优点已经被详细地描述，但是应该理解的是，在不脱离由所附权 利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在本文中做出各种变化、替换和改变。 [0151]此外，本申请的范围不限于在说明书中描述的工艺、机器、制造商、物质成分、手 段、方法以及步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员之一将容易地从本申请的公开内 容认识到的那样，可以根据本发明利用与在本文中描述的相应实施例执行基本上相同的功 能或者实现基本上相同的结果的、目前存在的或后来要被开发的工艺、机器、制造、物质成 分、手段、方法、或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、 物质成分、手段和步骤的方法。
【主权项】
1. 一种应力补偿振荡器电路系统（10; 11; 12; 13; 14; 15)，包括： 传感器装置（100)，用于提供传感器输出信号（Ssenscir),其中传感器输出信号(Ssenscir)基 于在半导体衬底(20)中的瞬时应力或应变分量(σ); 处理装置(200)，用于处理传感器输出信号（Ssenscir)和取决于在半导体衬底(20)中的瞬 时应力或应变分量(σ)提供控制信号(SecintoI); 振荡器装置(300)，用于基于控制信号（Sccintol)提供具有振荡器频率(f〇s。)的振荡器输 出信号（Sosc); 其中控制信号(Scontrol)控制振荡器输出信号(SqSC)，并且其中控制信号(Scontrol)减小在 半导体衬底(20)中的瞬时应力或应变分量(〇)对振荡器输出信号(S_)的影响，使得振荡器 电路系统（1 〇 )提供应力补偿振荡器输出信号(Sosc)。2. 根据权利要求1所述的应力补偿振荡器电路，其中传感器装置（100)、处理装置 (200)和振荡器装置（300)被集成在相同半导体衬底（20)上。3. 根据权利要求1或2所述的应力补偿振荡器电路，其中传感器装置（100)包括多个传 感器元件（110; 120; 130)，每个传感器元件感测在半导体材料(20)中的瞬时应力或应变分 量(〇)〇4. 根据权利要求3所述的应力补偿振荡器电路系统，其中所述多个传感器元件（110; 120; 130)配置成感测彼此正交的和在关于半导体衬底(20)的表面的平面中的瞬时应力和 应变分量(σχχ, 0yy)。5. 根据权利要求3或4所述的应力补偿振荡器电路系统，其中所述多个传感器元件 (110;120;130)是压电敏感传感器元件。6. 根据权利要求5所述的应力补偿振荡器电路系统，其中压电敏感传感器元件关于半 导体材料的表面在半导体材料中横向和/或垂直延伸。7. 根据权利要求3至6所述的应力补偿振荡器电路系统，其中多个传感器元件包括L形 传感器元件并且跨半导体衬底的表面空间分布。8. 根据权利要求7所述的应力补偿振荡器电路系统，其中L形传感器元件是压电敏感扩 散电阻器。9. 根据权利要求5至8中的任一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中所述多个压电 敏感传感器元件包括具有第一应力系数的第一数目的压电敏感传感器元件，并且包括具有 第二应力系数的第二数目的压电敏感传感器元件，其中第一和第二应力系数是不同的。10. 根据权利要求9所述的应力补偿振荡器电路系统，其中第一数目的压电敏感传感器 元件提供具有第一应力分量相关性的第一应力相关传感器信号，并且第二数目的压电敏感 传感器元件提供具有第二应力分量相关性的第二应力相关传感器输出信号，其中第一应力 相关信号具有关于在半导体衬底中的正应力分量总和( 〇xx + 0yy)的应力分量相关性，并且 其中第二数目的压电敏感传感器元件提供具有关于在半导体衬底中的正应力分量的差(σ χχ -〇yy)的应力分量相关性的第二应力相关信号。11. 根据前述权利要求中的任一项所述的应力补偿振荡器电路系统，进一步包括： 半导体衬底上或半导体衬底中的温度传感器元件，用于提供关于半导体衬底的瞬时温 度的温度传感器信号。12. 根据权利要求11所述的应力补偿振荡器电路系统，其中温度传感器装置包括空间 分布在半导体衬底的表面之上的多个温度传感器元件。13. 根据权利要求12所述的应力补偿振荡器电路系统，其中所述多个温度传感器元件 形成温差传感器装置。14. 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中处理装置 配置成执行前馈传感器输出信号处理，以将控制信号作为应力补偿信号提供给振荡器装 置。15. 根据权利要求14所述的应力补偿振荡器电路系统，其中处理装置配置成检索查找 表或基于传感器输出信号计算多项式函数或分段线性函数，以便确定控制信号。16. 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中处理装置 配置成处理传感器输出信号，以便提供作为多个部分控制信号的组合的控制信号，其中每 个部分控制信号控制振荡器输出信号的振荡器频率，并减小在半导体衬底中的不同瞬时分 量对振荡器输出信号的振荡器频率的影响。17. 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中处理装置 配置成处理传感器输出信号以便提供控制信号，其中控制信号包括第一和第二部分控制信 号，以提供针对半导体衬底中的振荡器装置的不同应力分量相关性的第一和第二部分校正 信号。18. 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中处理装置 配置成处理来自所述多个温度传感器元件的传感器输出信号，以确定针对半导体衬底中的 温度梯度诱发的温度相关应力效应，并且配置为提供控制信号，所述控制信号减小在半导 体材料中的瞬时温度或温度梯度对振荡器输出信号的振荡器频率的影响，使得对振荡器输 出信号的振荡器频率的热梯度诱发的应力效应被减小。19. 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中振荡器装 置包括在分数PLL回路中的振荡器，其中分数PLL回路具有分数分频器，其中处理装置配置 成处理传感器输出信号并且提供控制信号，其中控制信号控制振荡器装置的分数PLL回路 的分数分频器，以便减小半导体衬底中的瞬时应力分量对振荡器输出信号的振荡器频率的 影响。20. 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中振荡器装 置包括直接应力补偿LC振荡器或具有针对偏置电流、可切换电容和/或电压相关电容的校 正DAC的应力补偿振荡器。21. 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统，其中振荡器装 置包括具有应力补偿积分器电流或应力补偿参考电压或应力补偿集成电容的张弛振荡器。22. 根据权利要求21所述的应力补偿振荡器电路系统，其中处理装置配置成提供多个 部分控制信号以调整至少两个下面的电气特性的组合，电气特性包括积分器电流、参考电 压和/或积分器电容，以便减小半导体衬底中的瞬时应力分量对振荡器输出信号的振荡器 频率的影响。23. -种集成电路(30)，包括： 根据前述权利要求中的任何一项所述的应力补偿振荡器电路系统（10);和 处理电路系统(40)，用于基于由应力补偿振荡器电路系统（10)提供的应力补偿振荡器 输出信号执行处理操作。24. 根据权利要求24所述的集成电路，其中应力补偿振荡器电路系统（10)和处理电路 系统(40 )被集成在相同半导体衬底(20 )上。25. 根据权利要求23或24所述的集成电路，其中应力补偿振荡器电路系统（10)的处理 装置(200)和处理电路系统(40)通常共享半导体衬底(20)上的集成硬件(40a)。26. 根据权利要求25所述的集成电路，其中应力补偿振荡器电路系统（10)的处理装置 (200)和处理电路(40)通常使用具有在相同半导体衬底上定义的温度系数的ADC温度传感 器、电压参考、电压供给和偏置电流供给。
【文档编号】H03B5/04GK105897166SQ201610084598
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月14日
【发明人】M.莫茨
【申请人】英飞凌科技股份有限公司