CN103576717B - 芯片上系统及其温度控制方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种半导体器件的温度控制方法。该温度控制方法包括：检测半导体器件的温度；当检测的温度高于第一温度水平时激活反向体偏置操作，在所述反向体偏置操作中对施加至半导体器件的功能模块的体偏置电压进行调节；以及当检测的温度高于与第一温度水平不同的第二温度水平时，激活热节流操作，在所述热节流操作中对提供给半导体器件的功能模块的驱动时钟频率以及施加至半导体器件的功能模块的驱动电压中的至少一个进行调节。

Description

芯片上系统及其温度控制方法
相关申请的交叉引用
该申请要求2012年7月26日递交的韩国专利申请No.10-2012-0081855的优先权，其全部内容合并在此作为参考。
技术领域
根据示例性实施例的方法和设备涉及一种半导体器件，更具体地，涉及一种能够根据温度控制无功电流(idle current)的量的半导体器件及其温度控制方法。
背景技术
近年来，诸如智能电话、平板个人计算机(PC)、数码相机、MP3播放器、个人数字助手(PDA)之类的移动设备的使用迅速增加。由于多媒体处理和各种类型数据的吞吐量增加，这些移动设备可能必须使用高速处理器。移动设备可以包括半导体器件，例如工作存储器(例如，DRAM)、非易失性存储器以及用于驱动各种应用程序的应用程序处理器(AP)。期待半导体器件的集成程度和驱动频率根据移动环境下对高性能的需求而增加。
在移动设备中，管理半导体器件的温度对于改进总体性能并且减小移动设备的功耗而言可能非常重要。可以通过精确地测量温度并且根据所测量的结果迅速且适当地控制温度来管理半导体器件的温度。具体地，随着用于高集成度的精巧工艺的开发，半导体器件的无功电流可能增加。半导体器件的无功电流的量非常易受温度的影响。引起温度增加和无功电流增加之间的相互促进动作的现象(例如，热逸散)可以显著地劣化半导体器件的性能。
在高性能半导体器件中，温度的非故意迅速增加可能极大地影响半导体器件的性能和可靠性。随着移动设备市场的扩展，移动设备中包括的半导体器件的温度管理变得重要起来。因此，需要一种用于对移动设备或其他电子设备中包括的半导体器件的温度进行有效控制的技术。
发明内容
根据本发明的一个方案，提出了一种半导体器件的温度控制方法，该温度控制方法包括：检测半导体器件的温度；当检测的温度高于第一温度水平时激活反向体偏置操作，在所述反向体偏置操作中对施加至半导体器件的功能模块的体偏置电压进行调节，以及当检测的温度高于与第一温度水平不同的第二温度水平时，激活热节流操作，在所述热节流操作中对提供给半导体器件的功能模块的驱动时钟频率以及施加至半导体器件的功能模块的驱动电压中的至少一个进行调节。
当检测的温度高于第一温度水平和第二温度水平两者时，可以同时执行反向体偏置操作和热节流操作。
第二温度水平可以高于第一温度水平。
第一温度水平可以高于第二温度水平。
激活热节流操作可以包括按照多个模式之一执行热节流操作，并且所述多个模式中每一模式分别指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
可以响应于所述多个模式分别将体偏置电压改变为不同的电平。
功能模块可以根据操作性质而包括多个子模块，并且提供给所述多个子模块中至少一个子模块的体偏置电压的电平与施加至其余子模块的体偏置电压的电平不同。
根据另一实施例的方案，提出了一种半导体器件的温度控制方法，该温度控制方法包括：将热节流模式设置为多个不同的热节流模式之一；根据设置的热节流模式执行热节流操作和反向体偏置操作，其中在热节流操作中，根据设置的热节流模式改变提供给半导体器件的功能模块的驱动电压和驱动时钟频率中的至少一个，并且在反向体偏置操作中，根据设置的热节流模式设置施加至半导体器件的功能模块的体偏置电压；检测半导体器件的温度；以及基于检测的温度，调节施加至半导体器件的功能模块的所设置体偏置电压的电平。
设置热节流模式可以包括基于半导体器件的驱动性能和半导体器件的功耗中的至少一个来设置热节流模式。
所述多个热节流模式可以至少包括第一模式、第二模式和第三模式，并且第一模式、第二模式和第三模式中的每一个模式指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
在执行反向体偏置操作中，可以根据所述多个模式分别将体偏置电压设置为不同的电平。
执行反向体偏置操作可以包括：当热节流模式设置为第一模式时，将体偏置电压的电平设置为第一电平；当热节流模式设置为第二模式时，将体偏置电压的电平设置为第二电平；以及当热节流模式设置为第三模式时，将体偏置电压的电平设置为第三电平，其中第一电平高于第二电平，并且第二电平高于第三电平。
功能模块可以根据操作性质包括多个子模块，并且提供给所述多个子模块中至少一个子模块的体偏置电压的电平与施加至其余子模块的体偏置电压的电平不同。
根据另一实施例的方案，提出了一种芯片上系统，包括：多个晶体管；体偏置发生器，所述体偏置发生器向所述多个晶体管提供体偏置电压；以及控制单元，配置为当芯片上系统的温度高于第一温度水平时，控制体偏置发生器以激活反向体偏置操作，在所述反向体偏置操作中对由体偏置发生器提供的体偏置电压进行调节，并且配置为当芯片上系统的温度高于与第一温度水平不同的第二温度水平时，激活热节流操作，在所述热节流操作中，对施加至所述多个晶体管的驱动时钟频率以及施加至所述多个晶体管的驱动电压中的至少一个进行调节。
当检测的温度高于第一温度水平和第二温度水平两者时，可以同时执行反向体偏置操作和热节流操作。
第二温度水平可以高于第一温度水平。
第一温度水平可以高于第二温度水平。
控制单元可以按照多个模式之一执行热节流操作，并且所述多个模式中每一模式分别指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
控制单元可以控制体偏置发生器，以响应于所述多个模式分别将体偏置电压改变为不同的电平。
芯片上系统还可以包括温度传感器，所述温度传感器测量芯片上系统的温度并且将测量的温度提供给控制单元。
芯片上系统还可以包括性能监测器，所述性能监测器测量芯片上系统的性能并且将测量的性能提供给控制单元，并且控制单元还可以配置为根据测量的性能调节反向体偏置操作的电平。
根据另一实施例的方案，提出了一种芯片上系统，包括：多个晶体管；体偏置发生器，所述体偏置发生器向所述多个晶体管提供体偏置电压；以及控制单元，配置为将热节流模式设置为多个不同的热节流模式之一，配置为根据设置的热节流模式激活热节流操作和反向体偏置操作，其中在热节流操作中，根据设置的热节流模式改变提供给所述多个晶体管的驱动电压和驱动时钟频率中的至少一个，并且在反向体偏置操作中，根据设置的热节流模式设置施加至所述多个晶体管的体偏置电压，并且配置为基于芯片上系统的温度，调节施加至所述多个晶体管的所设置体偏置电压的电平。
控制单元可以基于芯片上系统的驱动性能和芯片上系统的功耗中的至少一个来设置热节流模式。
所述多个热节流模式可以至少包括第一模式、第二模式和第三模式，并且第一模式、第二模式和第三模式中的每一个模式指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
可以根据所述多个模式分别将体偏置电压设置为不同的电平。
当热节流模式设置为第一模式时，控制单元可以控制体偏置发生器以将体偏置电压的电平设置为第一电平；当热节流模式设置为第二模式时，控制单元可以控制体偏置发生器以将体偏置电压的电平设置为第二电平；以及当热节流模式设置为第三模式时，控制单元可以控制体偏置发生器以将体偏置电压的电平设置为第三电平，其中第一电平可以高于第二电平，并且第二电平高于第三电平。
芯片上系统还可以包括温度传感器，所述温度传感器测量芯片上系统的温度，并且将测量的温度提供给控制单元。
芯片上系统还可以包括性能监测器，所述性能监测器测量芯片上系统的性能并且将测量的性能提供给控制单元，并且所测量的性能包括芯片上系统的驱动性能和芯片上系统的功耗中的至少一个。
根据另一实施例的方案，提出了一种计算机可读记录介质，所述计算机可读记录介质存储计算机可读程序，所述计算机可读程序在由计算机执行时执行温度控制方法。
根据另一个实施例的方案，提出了一种芯片上系统，包括：温度传感器，所述温度传感器测量芯片上系统的温度；多个晶体管；时钟发生器，所述时钟发生器向所述多个晶体管提供驱动时钟；功率管理器，所述功率管理器向所述多个晶体管提供驱动电压；体偏置发生器，所述体偏置发生器向所述多个晶体管提供体偏置电压；以及控制单元，配置为当芯片上系统的测量温度高于第一温度水平时，控制体偏置发生器以激活反向体偏置操作，在所述反向体偏置操作中对由体偏置发生器提供的体偏置电压进行调节，并且配置为当芯片上系统的测量温度高于与第一温度水平不同的第二温度水平时，控制时钟发生器和功率管理器以激活热节流操作，在所述热节流操作中，对提供给所述多个晶体管的驱动时钟频率以及提供给所述多个晶体管的驱动电压中的至少一个进行调节，其中当测量的温度高于第一温度水平和第二温度水平两者时，同时执行反向体偏置操作和热节流操作。
根据另一实施例的方案，提出了一种半导体器件的温度控制方法，该温度控制方法包括：激活热节流操作，在所述热节流操作中对提供给半导体器件的功能模块的驱动时钟频率以及施加至半导体器件的功能模块的驱动电压中的至少一个进行调节；检测半导体器件的功耗水平；以及激活反向体偏置操作，在所述反向体偏置操作中根据检测的功耗水平对施加至半导体器件的功能模块的体偏置电压进行调节。
激活反向体偏置操作可以包括：当功耗水平高于第一参考水平时，将体偏置电压设置为第一电平；以及当功耗水平高于第二参考水平时，将体偏置电压设置为第二电平，其中体偏置电压的第一电平高于体偏置电压的第二电平，并且其中第一参考水平高于第二参考水平。
该温度控制方法还可以包括：当功耗水平小于第三参考水平时，停用反向偏置操作，并且第三参考水平小于第二参考水平。
激活热节流操作可以包括按照多种模式之一执行热节流操作，并且所述多种模式中每一模式分别指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
功能模块根据操作性质可以包括多个子模块，并且提供给所述多个子模块中至少一个子模块的体偏置电压的电平与提供给其余子模块的体偏置电压的电平不同。
根据另一实施例的方案，提出了一种芯片上系统，包括：多个晶体管；体偏置发生器，所述体偏置发生器向所述多个晶体管提供体偏置电压；性能监测器，所述性能监测器测量芯片上系统的功耗并且将测量的性能提供给控制单元；以及控制单元，配置为激活热节流操作，在所述热节流操作中，对施加至所述多个晶体管的驱动时钟频率和驱动电压中的至少一个进行调节，并且配置为激活反向体偏置操作，在所述反向体偏置操作中，根据检测的功耗水平对由体偏置发生器施加至所述多个晶体管的体偏置电压进行调节。
当功耗水平高于第一参考水平时，控制单元可以控制体偏置发生器以将体偏置电压设置为第一电平；以及当功耗水平高于第二参考水平时，控制单元可以控制体偏置发生器以将体偏置电压设置为第二电平，其中体偏置电压的第一电平高于体偏置电压的第二电平，并且其中第一参考水平高于第二参考水平。
控制单元还可以配置为当功耗水平小于第三参考水平时，停用反向偏置操作，并且第三参考水平小于第二参考水平。
控制单元可以按照多种模式之一激活热节流操作，并且所述多种模式中每一模式分别指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
附图说明
根据以下参照附图对实施例的描述，以上和其他方面将变得清楚，其中除非另有声明，贯穿各图类似的附图标记表示类似的部件，其中：
图1是示意性地示出了根据实施例的半导体器件的方框图；
图2是示意性地示出了图1中的功能模块的电路图；
图3A是图2中的PMOS晶体管的截面图；
图3B是图2中的NMOS晶体管的截面图；
图4A和4B是示出了根据实施例的半导体器件的温度控制方法的流程图；
图5是示出了使用温度控制方法的半导体器件的温度变化的曲线；
图6是示出了根据另一实施例的温度控制方法的表；
图7A是示出了根据实施例的能够选择各种体偏置电平的温度控制方法的流程图；
图7B是示出了根据实施例的能够选择和调节体偏置电平的温度控制方法的流程图；
图8是示出了根据另一实施例的温度控制方法的流程图；
图9是示出了根据再一实施例的温度控制方法的流程图；
图10是示出了图9中的温度控制方法的波形图；
图11是示意性地示出了根据另一实施例的半导体器件的方框图；
图12是示意性地示出了根据再一实施例的半导体器件的方框图；
图13A是示出了配置为执行热节流和体偏置调节的半导体芯片的无功电流分布的图；
图13B是示出了在选择为好管芯的半导体芯片中将热节流和体偏置调节两者同时应用于半导体芯片而具有无功电流问题的芯片组的分布的图；
图14是示出了参考图13B所示的工艺信息执行的温度控制方法的流程图；
图15是示意性地示出了根据又一实施例的半导体器件的方框图；
图16是示出了图15中的半导体器件的温度控制方法的流程图；
图17是示意性地示出了根据实施例的包括半导体器件的手持终端的方框图；以及
图18是示意性地示出了根据实施例的执行温度控制操作的计算机系统的方框图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述实施例。然而，本发明的构思可以以多种不同的形式体现，并且不应解释为仅受限于所阐述的实施例。事实上，这些实施例用来使得本公开充分且完整，并且全面地向本领域的普通技术人员传达本发明的构思。相应地，对于本发明构思的一些实施例，没有描述已知的工艺、部件和技术。除非另有声明，贯穿附图和说明书，类似的附图标记表示类似的部件，并且将不再重复其描述。在附图中为了清楚起见，可以放大层和区域的尺寸和相对尺寸。
应该理解的是，尽管在本文中使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述不同部件、组件、区域、层和/或部分，然而这些部件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅仅用来将一个部件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分相区分。因此，在不脱离实施例的教义的前提下，以下提到的第一部件、组件、区域、层或部分也可以称作第二部件、组件、区域、层或部分。
诸如“下面”、“之下”、“下部”、“下方”、“之上”、“上部”之类的空间相对术语在这里可以用于方便描述，以描述如图所示的一个部件或特征与其他部件或特征的关系。应该理解，空间相对术语旨在包含除了图中所示朝向之外器件在使用或操作中的不同朝向。例如，如果将图中的器件翻转，那么描述为在其他部件或特征“之下”、“下面”或“下方”的元件将朝向为在所述其他部件或特征“之上”。因此，示例性术语“之下”和“下方”可以包含上、下两种朝向。可以将器件按其他方式朝向(旋转90°或其他朝向)，并且相应地解释这里使用的空间相对描述。此外还应该理解，当将一层称作在两层“之间”时，该层可以是这两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
本文使用的术语仅仅是为了描述具体实施例的目的，而并非要限制本发明的构思。本文所使用的单数形式的“一(个)”、“一种”和“该”还旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还应理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、部件和/或组件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、部件、组件和/或其组合。这里所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任意和所有组合。此外，术语“示例性”旨在表示示例或例示。
应该理解，当将一个部件或层称作在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”、“耦接”或“相邻”时，该部件或层可以直接在该另一部件或层上、与该另一部件或层直接连接、耦接或相邻，或者可以存在中间部件或层。相反，当将一个部件称作“直接”在另一部件或层“上”、与另一部件或层“直接连接”、“直接耦接”或“直接相邻”时，不存在中间部件或层。
除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有由该本发明构思所属领域的普通技术人员通常所理解的相同意义。还应该理解，例如那些在常用字典中定义的术语，应该被解释为具有与在相关领域和本说明书中的意义一致的含义，并且除非在此明确地定义，否则不应被解释为理想化或过于刻板的含义。
图1是示意性地示出了根据实施例的半导体器件的方框图。参考图1，半导体器件100可以包括控制单元120和体偏置发生器160。半导体器件100可以通过控制单元120和体偏置发生器160有效地控制驱动温度，同时使性能的降低最小化。这里，半导体器件100可以包括具有多种知识产权(下文中称作IP)的芯片上系统(下文中称作SoC)。
温度传感器110可以感测半导体器件100的内部温度。例如，温度传感器110可以是使用根据温度变化的电动势(EMF)的热电动势(热电耦)传感器、感测根据温度变化的电阻值的热导传感器等。然而，本发明构思不限于此。温度传感器110可以将感测的温度提供给控制单元120。
控制单元120可以控制半导体器件100的各种部件。控制单元120可以基于半导体器件100的内部温度控制驱动电压VDD的电平或者驱动时钟CLK的频率。例如，当半导体器件100的内部温度高于参考温度时，控制单元120可以控制功率管理器140，使得降低驱动电压VDD的电平。此外，当半导体器件100的内部温度高于参考温度时，控制单元120可以控制时钟发生器130(例如，锁相环(PLL))，使得降低驱动时钟CLK的频率。控制单元120可以基于半导体器件100的内部温度，提供切换信号PSW，用于阻断将驱动电压VDD供应给功能模块150。当半导体器件100的内部温度增加时，在控制单元120的控制下控制提供给功能模块150的驱动电压VDD和/或驱动时钟CLK的技术可以称作热节流(thermal throttling)。
控制单元120可以通过与热节流一起控制体偏置来调节无功电流的水平。例如，控制单元120可以考虑到半导体器件100的内部温度、热节流操作的级别、半导体器件100的功耗、半导体器件100的当前性能以及工艺变化中的至少一项，来改变体偏置条件。控制单元120可以控制体偏置发生器160以改变功能模块150的体偏置。
时钟发生器130可以产生用于驱动半导体器件100的时钟信号CLK。可以将时钟信号CLK提供给功能模块150以驱动功能模块150的整体计算操作。时钟发生器130可以包括锁相环。然而，本发明构思不限于此。时钟发生器130可以在控制单元120的控制下改变所产生的驱动时钟CLK的频率f。
功率管理器140可以在控制单元120的控制下将外部提供的电源电压传送给功能模块150。功率管理器140可以调节从半导体器件100外部提供的外部电压的电平，以提供调节的电压作为功能模块150的驱动电压VDD。功率管理器140可以配置为升高或者降低外部电压。如果外部电压低于半导体器件100要求的电压电平VDD(例如，约2.0V)，则功率管理器140可以提升外部电压以将提升的外部电压供应给功能模块150。如果外部电压高于半导体器件100要求的电压电平，则功率管理器140可以减小外部电压以将减小的外部电压供应给功能模块150。
功能模块150可以是根据输入数据或控制信号执行各种操作的一组电路。功能模块150可以包括执行半导体器件100的整体操作的多种电路。功能模块150的最小逻辑单元可以是晶体管。例如，功能模块150中包括的晶体管可以是PMOS晶体管152或NMOS晶体管154。PMOS晶体管152和NMOS晶体管154的性能可以成为用于确定半导体器件100的性能的关键参数。例如，可以根据PMOS晶体管152和NMOS晶体管154的驱动速度来决定功能模块150或半导体器件100的性能。
在执行热节流时，可以调节提供给功能模块150的PMOS晶体管152和NMOS晶体管154(例如源极或漏极)的驱动电压VDD。此外，在执行热节流时，可以调节用于驱动PMOS晶体管152和NMOS晶体管154的栅极控制信号的频率。此外，可以调节提供给功能模块150的PMOS晶体管152和NMOS晶体管154的本体的体偏置电压Vrbb。如果在源极/漏极和本体之间提供的体偏置电压Vrbb沿反方向增加，则PMOS晶体管152和NMOS晶体管154的无功电流可以减小。因此，通过增加体偏置可以部分地解决由于无功电流导致的温度增加因素。
体偏置发生器160可以提供针对功能模块150的PMOS晶体管152和NMOS晶体管154的体偏置电压Vbrr。体偏置发生器160可以在控制单元120的控制下增加或降低PMOS晶体管152或NMOS晶体管154的体电压。
性能监测器170可以监测半导体器件100或功能模块150的驱动性能。性能监测器170可以监测半导体器件100或功能模块150的功耗量。由于无功电流导致的半导体器件100的部件性能或功耗可以根据温度变化而变化。性能监测器170可以监测功耗或性能的变化过程，并且可以将监测的结果提供给控制单元120，例如作为量化的值。
组成半导体器件100的各种部件可以如上所述。然而，组成半导体器件100的一些部件可以用设置在半导体器件外部的部件来代替。也就是说，可以将功率管理器140设置为设置在半导体器件100外部的分离功率元件。温度传感器110或体偏置发生器160可以用设置在半导体器件100外部的部件来替换。体偏置发生器160可以配置有供应半导体器件100的内部电压的部件如稳压器，或者可以由与功率管理器140相同的芯片形成。
半导体器件100可以同时执行热节流和体偏置调节。对于热节流，控制单元120可以改变驱动电压VDD和/或驱动时钟CLK的频率。此外，在只通过热节流难以控制半导体器件100的温度或者难以补偿半导体器件性能降低的情况下，控制单元120可以通过增加半导体器件100的晶体管的体电压来减小无功电流。因此，可以通过无功电流的减小来阻止由于无功电流导致的温度增加。
图2是示意性地示出了图1中的功能模块的电路图。参考图2，功能模块150可以包括多个PMOS晶体管152、多个NMOS晶体管154和电源开关PS。尽管在图2中未示出，功能模块150还可以包括除了晶体管之外的各种部件。
电源开关PS可以切换提供给功能模块150的驱动电压VDD。电源开关PS可以响应于来自控制单元120的切换信号PSW将来自功率管理器的驱动电压VDD传送给节点N1。节点N1可以与PMOS晶体管152的源极相连。在图2中示出了电源开关PS由PMOS晶体管构成的示例。然而，本发明构思不限于此。电源开关PS可以由NMOS晶体管或高电压晶体管构成。
PMOS晶体管152可以包括功能模块150中包括的全部PMOS晶体管。PMOS晶体管152中一些PMOS晶体管的源极可以与节点N1相连。其他PMOS晶体管的源极可以与功能模块150中包括的PMOS晶体管或NMOS晶体管的源极或漏极相连。PMOS晶体管的漏极可以接地或者与功能模块150中包括的PMOS晶体管或NMOS晶体管的漏极或源极相连。PMOS晶体管152的本体可以配置有从体偏置发生器160供应的PMOS体偏置电压Vrbbp。
NMOS晶体管154可以包括功能模块150中包括的全部NMOS晶体管。NMOS晶体管154中其他NMOS晶体管的源极可以与功能模块150中包括的PMOS晶体管或NMOS晶体管的漏极或源极相连。NMOS晶体管154的源极可以接地或者与功能模块150中包括的PMOS晶体管或NMOS晶体管的漏极或源极相连。NMOS晶体管154的本体可以配置有从体偏置发生器160供应的NMOS体偏置电压Vrbbn。
图3A是图2中的PMOS晶体管的截面图，以及图3B是图2中的NMOS晶体管的截面图。
参考图3A，为了形成PMOS晶体管152，可以在衬底P-衬底处形成N-阱152a。可以通过向衬底P-衬底中注入N-型掺杂剂来形成N-阱152a。然后，可以在N-阱152a处形成用于PMOS晶体管的漏极和源极的P+掺杂区152b和152c。可以在N-阱152a处形成用于提供体偏置电压Vrbbp的N+掺杂区152d。随后，可以依次堆叠栅极绝缘膜152e和栅电极152f。栅极绝缘膜152e可以由氧化膜、氮化膜或者通过堆叠氧化膜和氮化膜形成的膜构成。另外，栅极绝缘膜152e可以由具有高介电常数的金属氧化物材料、通过将金属氧化物材料堆叠成层迭结构形成的膜或者通对它们进行混合形成的膜构成。栅电极152f可以由掺杂有杂质离子(例如，P、As、B等)的多晶硅膜或由金属膜构成。
如果体偏置电压Vrbbp增加，则p+掺杂区152b、152c与N-阱152a之间的反向偏置可以增加。在这种情况下，在由P+掺杂区152b和152c构成的PMOS晶体管152的源极和漏极之间流动的无功电流可以降低。
参考图3B，为了形成NMOS晶体管154，可以在衬底P-衬底处形成深N-阱，并且可以在深N-阱处形成P-阱154a。可以在P-阱154a处形成用于漏极和源极的N+掺杂区154b和154c。此外，可以在P-阱154a处形成用于提供体偏置电压Vrbbn的P+掺杂区154d。然后，可以依次堆叠栅极绝缘膜154e和栅电极154f。如果设置为负电压的体偏置电压Vrbbn的电平增加，则N+掺杂区154b、154c与衬底P-衬底之间的反向偏置可以增加。在这种情况下，在由N+掺杂区154b和154c构成的NMOS晶体管154的源极和漏极之间流过的无功电流可以降低。
图4A和4B是示出了根据实施例的半导体器件的温度控制方法的流程图。
参考图4A，控制单元120可以基于半导体器件100的当前温度来控制体偏置和/或执行热节流。
在操作S110中，控制单元120可以检测半导体器件100的内部温度C_Temp。控制单元120可以基于从温度传感器110提供的实时温度数据来检测内部温度C_Temp。
在操作S120中，控制单元120可以确定内部温度C_Temp是否高于第一参考温度T1。如果内部温度C_Temp小于第一参考温度T1，则该方法前进到操作S110。也就是说，在内部温度C_Temp小于第一参考温度T1的情况下，可以不执行热节流或体偏置的调节。如果内部温度C_Temp高于第一参考温度T1，则该方法前进到操作S130。
在操作S130中，控制单元120可以激活体偏置调节操作。例如，控制单元120可以控制体偏置发生器160以增加提供给功能模块150的晶体管152和154的体偏置电压Vrbbp和Vrbbn的电平。如果激活体偏置调节操作，则PMOS晶体管152的体电压(例如正电压)可以增加，并且NMOS晶体管154的体电压(例如，负电压)可以降低(就绝对值而言增加)。
在操作S140中，控制单元120可以在激活体偏置调节操作的条件下检测内部温度C_Temp，并且确定内部温度C_Temp的变化。控制单元120可以确定来温度传感器110的内部温度C_Temp所处的温度范围。如果内部温度C_Temp小于第一参考温度T1(例如，在体偏置调节操作将内部温度C_Temp降低至小于第一参考温度T1的情况下)，则该方法前进到操作S150。如果内部温度C_Temp高于第一参考温度T1并且小于第二参考温度T2(例如，在体偏置调节操作没有将内部温度C_Temp足够地降低到小于第一参考温度T1的温度的情况下)，则该方法前进到操作S130。如果内部温度C_Temp高于第二参考温度T2，则该方法前进到操作S160。
在操作S150中，因为内部温度C_Temp小于第一参考温度T1，控制单元120可以停用体偏置调节操作。控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得将提供给功能模块150的体电压Vrbb复位至缺省值。
在操作S160中，控制单元120可以激活热节流操作。为了执行热节流操作，控制单元120可以控制功率管理器140降低驱动电压VDD的电平。这可以用来通过减小功耗以抑制温度增加。此外，为了激活热节流操作，控制单元120可以控制时钟发生器130降低驱动时钟CLK的频率。控制单元120可以控制时钟发生器130和功率管理器140，使得同时控制驱动电压VDD的电平和驱动时钟CLK的频率以进行热节流。
在操作S170中，控制单元120可以在激活体偏置调节操作和热节流操作的条件下检测内部温度C_Temp并且确定温度变化。控制单元120可以确定从温度传感器110提供的内部温度C_Temp是否属于任意温度范围。在内部温度C_Temp小于上限温度Tmax的情况下，该方法前进到操作S130。如果内部温度C_Temp超过上限温度Tmax，则该方法前进到操作S180。
在操作S180中，控制单元120可以提供切换信号PSW以阻止提供给功能模块150的驱动电压VDD。通过阻止驱动电压VDD，可以防止电路免受由于高温导致的损坏。应该理解，在阻止驱动电压VDD之前执行备份功能模块的数据状态、操作状态等的操作。
参考图4B，控制单元120可以基于半导体器件100的当前温度来控制体偏置和/或执行热节流。图4B的温度控制方法与图4A的温度控制方法的不同之处在于：如果内部温度C_Temp高于第一参考温度T1则激活热节流，而如果内部温度C_Temp高于第二参考温度T2则激活体偏置。相应地，图4B中的操作111、121、141、171和181与图4A中的操作110、120、140、170和180类似，因此省略其重复描述。
如果内部温度C_Temp高于第一参考温度T1，则该方法前进到操作S131。在操作S131中，控制单元120可以激活热节流操作。为了执行热节流操作，控制单元120可以控制功率管理器140以降低驱动电压VDD的电平。这可以用来通过减小功耗以抑制温度增加。此外，为了激活热节流操作，控制单元120可以控制时钟发生器130以降低驱动时钟CLK的频率。控制单元120可以控制时钟发生器130和功率管理器140，使得同时控制驱动电压VDD的电平和驱动时钟CLK的频率以进行热节流。
如果确定内部温度C_Temp下降到小于第一参考温度T1，则控制单元120可以在操作S151中停用热节流操作。
如果确定内部温度C_Temp高于第二参考温度T2，则该方法前进到操作S161，在操作S161中控制单元120可以激活体偏置调节操作。例如，控制单元120可以控制体偏置发生器160以增加提供给功能模块150的晶体管152和154的体偏置电压Vrbbp和Vrbbn的电平。如果激活体偏置调节操作，PMOS晶体管152的体电压(例如正电压)可以增加，并且NMOS晶体管154的体电压(例如负电压)可以降低(就绝对值而言增加)。
利用上述温度控制方法，半导体器件100可以具有温度控制能力。此外，可以阻止热反馈现象，例如当只执行热节流操作时引起的无功电流的温度增加。因此，通过上述温度控制方法可以减小由于热节流导致的半导体器件100的性能下降。
图5是示出了使用温度控制方法的半导体器件的温度变化的曲线。参考图5，可以通过体偏置调节操作和热节流操作两者有效地管理半导体器件的温度。
在内部温度C_Temp高于第一参考温度T1的时间t1，可以激活体偏置调节(RBB)操作。也就是说，提供给功能模块150的本体的体电压的绝对值可以增加。这可以使得将PMOS晶体管152和NMOS晶体管154的沟道缩短。因此，当激活体偏置调节操作时，可以急剧地减小功能模块150的无功电流量。
尽管激活了体偏置调节操作，但内部温度C_Temp可能在时间t2时超过第二参考温度T2。在这种情况下，可以激活热节流操作。当激活热节流操作时，可以将内部温度C_Temp降低为小于第二参考温度T2，而不会超过上限温度Tmax。
根据以上描述，如果内部温度C_Temp高于第一参考温度T1，则可以激活体偏置调节操作。可以分别在时间t1和t9时产生这种情况。如果内部温度C_Temp高于第二参考温度T2，则可以进一步激活热节流操作。因此，当内部温度C_Temp高于第二参考温度T2时，可以激活体偏置调节操作和热节流操作两者。可以分别在时间t2、t4、t6和t10时产生这种情况。
如果内部温度C_Temp降低为小于第二参考温度T2，可以停用热节流操作并且可以激活体偏置调节操作。可以分别在时间t3、t5、t7和t11时产生这种情况。
利用上述温度控制方法，可以有效地管理半导体器件100的温度，并且防止不想要的急剧温度增加和性能下降。在图4和图5中，描述了激活体偏置调节操作时的温度T1小于激活热节流操作时的温度T2的情况。然而，本发明的构思不限于此。例如，激活体偏置调节操作时的温度T1可以等于激活热节流操作时的温度T2。替代地，可以将激活体偏置调节操作时的温度T1设置为高于激活热节流操作时的温度T2。
图6是示出了根据另一实施例的温度控制方法的表。参考图6，可以根据多个热节流模式选择性地激活多个体偏置调节(RBB)电平之一。
可以使用对电压电平和/或频率进行缩放的多个电压-频率模式作为热节流方式。可以将实现多种电压-频率模式的方式称作动态电压频率缩放(DVFS)。例如，DVFS模式可以包括用于热节流的第一至第三DVFS模式。第一DVFS模式可以是将驱动电压VDD设置为约2.0V并且将驱动时钟CLK设置为约3.0GHz频率的模式。第二DVFS模式可以是将驱动电压VDD设置为约1.5V并且将驱动时钟CLK设置为约2.0GHz频率的模式。第三DVFS模式可以是将驱动电压VDD设置为约1.3V并且将驱动时钟CLK设置为约1.5GHz频率的模式。DVFS模式还可以包括将驱动电压VDD的电平或驱动时钟CLK的频率设置为与第一至第三模式中不同(例如更低)的模式。可以根据所需的电路性能或温度控制方式，改变每一DVFS模式。
可以根据上述DVFS模式选择性地使用体偏置调节电平。例如，可以在由于热反馈导致的温度增加和性能下降成为严重问题的第一和第二DVFS下激活体偏置调节操作。可以在驱动电压VDD和驱动时钟CLK的频率最高的第一DVFS模式下选择并激活高电平体偏置调节。另一方面，可以在驱动电压VDD和驱动时钟CLK的频率与第一DVFS模式相比较低而与第三DVFS模式相比较高的第二DVFS模式下选择并激活中等电平体偏置调节。可以在其余DVFS模式下停用体偏置调节操作。
在根据上述DVFS模式使用不同体偏置电平的情况下，可以将由于激活体偏置调节操作而导致的性能下降最小化。如果激活体偏置调节操作，则可以减小晶体管的无功电流。在这种情况下，尽管抑制了温度增加，但阈值电压可能不可避免地增加。因此，在激活体偏置调节操作的电压-频率模式下，可以确定驱动电压和驱动时钟的频率高到足以补偿速度下降。
半导体器件100可以通过相对于电压-频率设置的多种DVFS模式执行选择性的体偏置调节操作，在抑制内部温度增加时维持优化的性能。
图7A是示出了根据实施例的能够设置多种体偏置电平的温度控制方法的流程图。参考图7A，可以根据图6中的DVFS模式选择体偏置调节操作的激活和体偏置电平。
在操作S210中，控制单元120可以检测当前的DVFS模式。可以根据提供给功能模块150的驱动电压VDD的电平以及驱动时钟CLK的频率来确定各种DVFS模式。为了便于描述，将使用图6所示的DVFS模式描述实施例。
在操作S220中，如果控制单元120检测的当前DVFS模式对应于第一DVFS模式(VDD＝2.0V，f＝3.0GHz)，则该方法前进到操作S230。当控制单元120检测的当前DVFS模式对应于第二DVFS模式(VDD＝1.5V，f＝2.0GHz)时，该方法前进到操作S240。如果控制单元120检测的当前DVFS模式对应于第三DVFS模式(VDD＝1.3V，f＝1.5GHz)或其他DVFS模式，则该方法前进到操作S250。
在操作S230中，控制单元120可以选择并激活高电平体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得将功能模块150中包括的晶体管的体电压Vrbb的绝对值设置为最高值。在这种情况下，可以将在功能模块150中的晶体管的源极和漏极之间流动的无功电流最小化。
在操作S240中，控制单元120可以选择并激活中等电平体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得将功能模块150中包括的晶体管的体电压Vrbb的绝对值设置为设置值的中等值。
在操作S250中，控制单元120可以停用体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得提供缺省值作为功能模块150中包括的晶体管的体电压Vrbb。
当如参考图7A所述根据电压-频率模式使用不同体偏置调节电平时，可以提供能够将温度增加和性能下降最小化的优化操作环境。
图7B是示出了根据实施例的能够选择和调节体偏置电平的温度控制方法的流程图。
在操作S710中，控制单元120可以设置DVFS模式。DVFS可以设置提供给功能模块150的驱动电压VDD的电平以及驱动时钟CLK的频率。为了便于描述，将使用图6所示的DVFS模式描述实施例。可以根据半导体器件的驱动性能和/或半导体器件的功耗设置各种DVFS模式。然而，实施例不限于此。
在操作S720中，如果设置的DVFS模式对应于第一DVFS模式(VDD＝2.0V，f＝3.0GHz)，则该方法前进到操作S730。当设置的DVFS模式对应于第二DVFS模式(VDD＝1.5V，f＝2.0GHz)时，该方法前进到操作S740。如果设置的DVFS模式对应于第三DVFS模式(VDD＝1.3V，f＝1.5GHz)或其他DVFS模式，则该方法前进到操作S750。
在操作S730中，控制单元120可以选择并激活高电平体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得将功能模块150中包括的晶体管的体电压Vrbb的绝对值设置为最高值。在这种情况下，可以将功能模块150中的晶体管的源极和漏极之间流动的无功电流最小化。
在操作S740中，控制单元120可以选择并激活中等电平体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得将功能模块150中包括的晶体管的体电压Vrbb的绝对值设置为设置值的中等值。
在操作S750中，控制单元120可以停用体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得提供缺省值作为功能模块150中包括的晶体管的体电压Vrbb。
在操作S760中，控制单元120可以确定内部温度C_Temp是否包括在任意温度范围内。如果内部温度C_Temp小于第一参考温度T1，则该方法前进到操作S770。如果内部温度C_Temp高于第一参考温度T1并且小于第二参考温度T2，则该方法前进到操作S780。当内部温度C_Temp高于第二参考温度T2时，该方法前进到操作S790。
在操作S770中，因为内部温度C_Temp小于第一参考温度T1，控制单元120可以停用体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得将提供给功能模块150的体电压Vrbb设置为缺省值。
在操作S780中，控制单元120可以激活中等电平体偏置调节操作。
在操作S790中，控制单元120可以激活高电平体偏置调节操作。
当如参考图7B所述根据电压-频率模式使用不同体偏置调节电平时，可以提供能够将温度增加和性能下降最小化的优化操作环境。另外，可以根据半导体器件100的当前驱动温度来选择体偏置调节电平。在这种情况下，如果半导体器件100的内部温度增加，则可以将体偏置调节电压选择为较高。因此，可以依赖于温度有效地补偿半导体器件100的性能下降。
图8是示出了根据另一实施例的温度控制方法的流程图。可以根据所需性能来选择图6中的模式。此外，可以选择图6中的模式以控制温度。参考图8，可以根据半导体器件100的当前内部温度C_Temp来选择各种电压-频率模式和体偏置调节电平。
在操作S310中，控制单元120可以检测半导体器件100的内部温度C_Temp。控制单元120可以基于从温度传感器110提供的实时温度数据来检测内部温度C_Temp的水平。
在操作S320中，控制单元120可以确定内部温度C_Temp是否包括在任意温度范围中。如果内部温度C_Temp小于第一参考温度T1，则该方法前进到操作S330。如果内部温度C_Temp高于第一参考温度T1并且小于第二参考温度T2，则该方法前进到操作S340。当内部温度C_Temp高于第二参考温度T2时，该方法前进到操作S350。
在操作S330中，因为内部温度C_Temp小于第一参考温度T1，控制单元120可以选择第一DVFS模式(VDD＝2.0V，f＝3.0GHz)用于热节流。另外，控制单元120可以停用体偏置调节操作。也就是说，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得将提供给功能模块150的体电压Vrbb设置为缺省值。
在操作S340中，控制单元120可以选择第二DVFS模式(VDD＝1.5V，f＝2.0GHz)用于热节流。控制单元120可以激活中等电平体偏置调节操作。
在操作S350中，控制单元120可以选择第三DVFS模式(VDD＝1.3V，f＝1.5GHz)用于热节流。控制单元120可以激活高电平体偏置调节模式。
根据以上描述，可以根据半导体器件100的当前驱动温度，选择DVFS模式和体偏置调节电平。在这种情况下，如果半导体器件100的内部温度增加，可以将体偏置调节电平选择为较高，并且可以将电压-频率模式选择为具有较低的驱动速度。因此，可以依赖于温度有效地补偿半导体器件100的性能下降。当然，实施例不限于温度；应该理解，DVFS模式的选择可以基于贯穿本公开所讨论的功耗、无功电流或者任意其他参数或者其组合。
图9是示出了根据再一实施例的温度控制方法的流程图。参考图9，可以在将热节流应用至半导体器件100时根据性能下降的水平和功耗变化来使用不同体偏置调节电平。
在操作S410中，控制单元120可以激活半导体器件100的热节流操作。这里，激活的热节流操作可以与各种电压-频率模式之一相对应。
在操作S420中，控制单元120可以检测从性能监测器170提供的功耗水平或操作性能。这里，将基于监测的功耗水平来描述实施例，但是实施例不限于监测的功耗水平。
在操作S430中，控制单元120可以确定功耗的量为高水平、中等水平或低水平。控制单元120可以根据确定的功耗水平来激活或选择体偏置调节模式。在功耗的量较高的情况下，该方法前进到操作S440。当功耗的量是中等时，该方法前进到操作S450。如果功耗的量较低，则该方法前进到操作S460。
在操作S440中，控制单元120可以激活高电平体偏置调节操作。在这种情况下，可以将施加至晶体管本体的偏置电压Vrbbp和Vrbbn的绝对值设置为具有预定值中的最大值。晶体管的阈值电压可以根据高电平体偏置调节操作的激活而被设置为最大值。可以将源极和漏极之间的无功电流的量最小化。
在操作S450中，控制单元120可以激活中等电平体偏置调节操作。在这种情况下，可以将施加至晶体管本体的偏置电压Vrbbp和Vrbbn的绝对值设置为具有预定值中的中等值。
在操作S460中，控制单元120可以停用体偏置调节操作或者激活低电平体偏置调节操作。在这种情况下，可以将施加至晶体管本体的偏置电压Vrbbp和Vrbbn的绝对值设置为具有缺省值。
根据以上描述，可以根据半导体器件100的当前驱动性能或功耗来激活或停用体偏置调节操作。
图10是示出了图9中的温度控制方法的波形图。参考图10，可以根据半导体器件100的功耗来选择体偏置调节电平。
曲线C1可以表示半导体器件100所消耗的功率的变化。在时间t1之前，半导体器件100的功耗可以小于第一参考水平P1。在时间t1之前，可以停用体偏置调节操作。
然而，在时间t1，半导体器件100的功耗可以超过第一参考水平P1。通过性能监测器170可以检测功耗变化。可以将检测的功耗水平提供给控制单元120。当功耗超过第一参考水平P1时，控制单元120可以激活体偏置发生器160。在功耗位于第一参考水平P1和第二参考水平P2之间时，控制单元120可以激活中等电平体偏置调节操作。
在功耗超过第二参考水平P2的时间t2，控制单元120可以控制体偏置发生器160，使得体偏置调节电平增加至高电平。曲线C2可以表示体偏置调节电平的变化。在功耗小于第二参考水平P2的时间t3，控制单元120可以将体偏置调节电平从高电平切换至中等电平。可以在时间t4和t5根据相同的标准类似地执行体偏置调节电平的切换。
根据以上描述，可以根据监测的性能或功耗的变化激活体偏置调节操作。另外，可以将激活的体偏置调节操作设置为各种电平。
图11是示意性地示出了另一实施例的半导体器件的方框图。参考图11，半导体器件200可以包括划分为多个电路单元或子模块SB0至SB3的功能模块250，所述子模块独立地控制热节流和体偏置调节。这里，图11中的温度传感器210、时钟发生器230和功率管理器240可以与图1中的那些实质上相同，从而省略其描述。
控制单元220可以基于半导体器件200的内部温度控制驱动电压VDD的电平或驱动时钟CLK的频率。控制单元220可以通过控制驱动电压VDD的电平或驱动时钟CLK的频率来执行各种热节流模式。
例如，如果半导体器件200的内部温度超过参考温度，则控制单元220可以控制功率管理器240，使得降低驱动电压VDD的电平。替代地，如果半导体器件200的内部温度超过参考温度，控制单元220可以控制时钟发生器230，使得驱动时钟CLK的频率降低。控制单元220可以基于半导体器件200的内部温度提供切换信号PSW，用于阻止功能模块250的驱动电压VDD。
控制单元220可以通过与热节流操作一起控制体偏置来调节无功电流的水平。例如，控制单元220可以考虑到与半导体器件200相关联的内部温度、热节流操作的级别、当前性能、功耗和工艺变化中的至少一项来改变体偏置条件。控制单元220可以控制体偏置发生器260以改变功能模块250的体偏置。
在控制单元220的控制下，时钟发生器230和功率管理器240可以向功能模块250的子模块SB0至SB3提供驱动时钟CLK和驱动电压VDD以应用不同级别的热节流。
功能模块250可以包括子模块SB0至SB3，所述子模块配置为独立地执行热节流和体偏置调节操作。子模块SB0至SB3可以包括必须确保速度和性能两者的电路。另一方面，子模块SB0至SB3可以包括必须确保可靠性而不是速度和性能的电路。任意子模块的无功电流可以变化而易受温度的影响，并且任意子模块的无功电流根据温度的变化可能是可忽略的。子模块SB0至SB3可以配置为使得根据所需的特性可变地或者固定地使用热节流或体偏置调节。
体偏置发生器260可以提供体偏置电压Vrbb，每一体偏置电压与功能模块250的子模块SB0至SB3相对应。例如，可以将第一体电压Vrbb1提供给子模块SB0，并且可以将比第一体电压Vrbb1更高的第二体电压Vrbb2提供给子模块SB1。可以不同地控制提供给相同子模块中的PMOS晶体管和NMOS晶体管的体电压。
利用上述半导体器件200，可以将热节流和体偏置调节同时应用于具有不同操作特性的电路。因此，可以根据电路的操作特性，通过各种水平的热节流和体偏置调节，来最优地控制温度。这里，半导体器件200可以是芯片上系统SoC。在这种情况下，可以通过知识产权对子模块SB0至SB3分类。替代地，子模块SB0至SB3可以由比SoC的知识产权大的功能模块或者比SoC的知识产权小的功能模块构成。
图12是示意性地示出了根据另一实施例的半导体器件的方框图。在图12的半导体器件300中，可以根据晶体管的工艺性质来应用体偏置调节和热节流。半导体器件300可以包括工艺信息供应方370。在图12中，组成部件310、330、340、350和360可以与图1中的类似部件实质上相同，从而省略其描述。
工艺信息供应方370可以提供与工艺性质相关联的信息。芯片可以具有由于工艺误差导致的不同操作性质。可以根据工艺性质将制造的芯片划分为好管芯和差管芯。尽管选择为好管芯的芯片具有相同的电路结构，但是形成电路的晶体管的操作性质可以根据工艺误差而变化。工艺信息供应方370可以向控制单元320提供晶体管的操作性质，例如与无功电流的水平相关联的信息。工艺信息供应方370可以监测PMOS晶体管和NMOS晶体管的无功电流，以向控制单元320提供与监测的无功电流的水平相关联的信息。替代地，工艺信息供应方320可以配置为使用编程的熔丝选项提供在测试水平下测试的无功电流的水平。另外，工艺信息供应方320可以配置为提供与体偏置调节的激活或停用相关联的判决信息。
控制单元320可以基于从工艺信息供应方370提供的无功电流的水平信息或者与体偏置调节的激活相关联的信息，控制体偏置发生器360。控制单元320可以基于来自温度传感器310和工艺信息供应方370的信息来选择性地应用热节流和体偏置调节。由控制单元320执行的热节流和体偏置调节的各种组合可以是上述实施例中的任一个。
图13A是示出了配置用于执行热节流和体偏置调节的半导体芯片的无功电流分布的图。
参考图13A，例如可以根据晶体管的无功电流水平将半导体芯片划分为五个组。在图13A中，水平轴可以表示PMOS晶体管352和NMOS晶体管354的无功电流。例如，可以根据晶体管无功电流的量，将半导体芯片划分为SS、SF、NN、FS和FF组。SS组可以表示PMOS晶体管352和NMOS晶体管354的无功电流为最小水平的情况。SF组可以表示PMOS晶体管352的无功电流为最大水平、而NMOS晶体管354的无功电流为最小水平的情况。NN组可以表示PMOS晶体管352和NMOS晶体管354的无功电流为中等水平的情况。FS组可以表示PMOS晶体管352的无功电流为最小水平、而NMOS晶体管354的无功电流为最大水平的情况。FF组可以表示PMOS晶体管352和NMOS晶体管354的无功电流为最大水平的情况。
当根据无功电流水平划分半导体芯片时，可以将性质在SS组和FF组之间的半导体芯片确定为是好的。好芯片可以配置为执行热节流操作和体偏置调节操作两者。如果向所有的好芯片应用体偏置调节操作，则可能降低无功电流相对较小的芯片的驱动速度。为了补偿这种现象，无功电流相对较小的这种芯片可以配置为在热节流操作时增加驱动电压VDD的电平。
图13B是示出了在选择为好管芯的半导体芯片中配置为将热节流和体偏置调节两者同时应用至半导体芯片而具有无功电流问题的芯片的分布的图。
参考图13B，无功电流相对较大的这些芯片可以配置为执行热节流操作和体偏置调节操作两者。可以将热节流操作应用至PMOS晶体管352和NMOS晶体管354的无功电流小于参考值Ref(例如SF组)的芯片。另一方面，可以将热节流操作和体偏置调节操作两者都应用至PMOS晶体管352和NMOS晶体管354的无功电流较大的芯片。如果只将体偏置调节技术应用至晶体管的驱动速度迅速的芯片，根据体偏置调节的速度无关紧要。在这种情况下，可以不应用根据体偏置调节的驱动电压控制。
另一方面，如果决定根据无功电流的量来优化驱动电压VDD的电平，则可以重新限定驱动电压VDD的优化电平，以补偿当激活体偏置调节操作时的速度降低。
图14是示出了参考图13B中所示的工艺信息执行的温度控制方法的流程图。参考图12至14，可以根据半导体器件的工艺信息来确定是否连同应用热节流操作一起应用体偏置调节操作。
在操作S510中，工艺信息供应方370可以向控制单元320提供半导体器件300的工艺信息。工艺信息供应方370可以由熔丝选项或者测量无功电流水平的监测电路构成。这里，假设工艺信息是图13B中示出的信息，表示半导体器件300的PMOS晶体管352和NMOS晶体管354的无功电流的量。
在操作S520中，控制单元320可以判定半导体器件320的无功电流的水平是否高于参考水平Ref。如果半导体器件320的无功电流的水平不高于参考水平Ref，则该方法前进到操作S530。如果半导体器件320的无功电流的水平高于参考水平Ref，则该方法前进到操作S540。
在操作S530中，在控制单元320的控制下，可以在不使用体偏置调节操作的情况下使用热节流操作来控制温度，并且不会启用体偏置调节操作。因此，当温度增加时，可以调节驱动时钟的频率和驱动电压的电平。
在操作S540中，在控制单元320的控制下，热节流操作和体偏置调节操作的组合可以用于控制半导体器件300的温度。可以按照参考以上实施例描述的相同方式执行这一操作，从而省略其描述。
图15是示意性地示出了根据再一实施例的半导体器件的方框图。半导体器件400可以配置为通过实时地监测半导体部件(例如晶体管)的无功电流来执行体偏置调节操作。参考图15，半导体器件400可以包括实时无功电流监测器470。
在图15中，组成部件410、430、440、450和460可以与图1中的类似元件实质上相同，从而省略其描述。
实时无功电流监测器470可以监测半导体器件400的部件(例如，晶体管)的无功电流。无功电流可以根据工艺、温度、驱动电压VDD和各种驱动条件而变化。具体地，可以通过热节流间接地控制由于温度导致的无功电流变化。此外，可以根据图1的实施例控制根据驱动电压VDD或时钟频率而变化的无功电流。可以通过参考图12描述的实施例补偿由于工艺误差导致的无功电流的偏差。然而，可以通过实时地测量无功电流水平来检测无功电流的变化。
实时无功电流监测器470可以测量流过半导体器件400的部件处流动的无功电流，以向控制单元420提供实时测量。实时无功电流监测器470可以包括在半导体器件400内设置的用于监测无功电流的分离监测部件。在这种情况下，实时无功电流监测器470可以通过测量监测部件的端子(例如源极、漏极和本体)处流过的电流来测量无功电流。可以将测量的无功电流水平作为定量值提供给控制单元420。
控制单元420可以基于与从实时无功电流监测器470提供的无功电流的水平相关联的信息来判定体偏置的电平。当无功电流水平小于参考水平时，控制单元420可以控制体偏置发生器460以停用体偏置调节操作。然而，控制单元420可以控制体偏置发生器460以与无功电流水平增加成比例地增加体偏置。
控制单元420可以基于从实时无功电流监测器470提供的实时无功电流水平信息来控制体偏置发生器460。控制单元420可以基于从温度传感器410提供的实时温度以及从实时无功电流监测器470提供的实时无功电流信息来执行热节流操作和体偏置调节操作。
可以根据实时测量的无功电流的水平来执行体偏置调节。因此，可以根据无功电流直接调节体偏置，而不是根据诸如温度、工艺误差和驱动电压之类的参数。
图16是示出了图15中的半导体器件的温度控制方法的流程图。在半导体器件400中，在应用热节流操作的时间期间可以根据实时测量的无功电流来应用各种体偏置调节电平。
在操作S610中，控制单元420可以激活半导体器件400的热节流操作。激活的热节流操作可以与各种电压-频率模式之一相对应。
在操作S620中，控制单元420可以检测从实时无功电流监测器470实时地提供的无功电流的水平。这里，可以将无功电流水平划分为各种级别。为了便于描述，可以将无功电流水平划分为高水平、中等水平和低水平。
在操作S630中，控制单元420可以判断无功电流水平。控制单元420可以根据判断的无功电流水平来激活或选择体偏置调节模式。当判断无功电流水平为高时，该方法前进到操作S640。如果判断无功电流水平为中等，则该方法前进到操作S650。当判断无功电流水平为低时，该方法前进到操作S660。
在操作S640中，控制单元420可以激活高电平体偏置调节模式。在这种情况下，可以将施加至晶体管本体的偏置电压Vrbbp和Vrbbn的绝对值设置为预定值中的最大值。当激活高电平体偏置调节模式时，晶体管的阈值电压可以设置为最大值。此外，可以减小源极和漏极之间的无功电流的量。
在操作S650中，控制单元420可以激活中等电平体偏置调节模式。在这种情况下，可以将施加至晶体管本体的偏置电压Vrbbp和Vrbbn的绝对值设置为预定值中的中等值。
在操作S660中，控制单元420可以停用体偏置调节或者激活低电平体偏置调节模式。在这种情况下，可以将施加至晶体管本体的偏置电压Vrbbp和Vrbbn的绝对值设置为缺省值。
在操作S670中，控制单元420可以基于功率状态确定体偏置调节操作的连续性。例如，控制单元420可以判断半导体器件400的电源是否处于断电状态。控制单元420可以基于判断结果确定体偏置调节操作的连续性。如果电源处于断电状态，则该方法可以结束。如果电源不是处于断电状态，则该方法前进到操作S620。
图17是示意性地示出了根据实施例的包括半导体器件的手持终端的方框图。参考图17，手持终端1000可以包括图像处理单元1100、无线收发机1200、音频处理单元1300、图像文件产生单元1400、存储器1500、用户接口1600和控制器1700。图像处理单元1100可以包括透镜1110、图像传感器1120、图像处理器1130和显示单元1140。无线收发机1200可以包括天线1210、收发机1220和调制解调器1230。音频处理单元1300可以包括音频处理器1310、麦克风1320和扬声器1330。
手持终端1000可以包括各种类型的半导体器件。具体地，应用处理器可以执行控制器1700的功能，并且可能需要低功率和高性能。为了满足这些要求，可以根据精细工艺通过多核形式来提供控制器1700。可以通过使用温度控制方法来形成低功率和高性能处理器，在所述温度控制方法中执行根据实施例的体偏置调节操作和热节流操作。
可以描述将并行执行体偏置调节操作和热节流操作的方式应用至控制器1700的情况。然而，本发明构思不限于此。例如，温度控制方式可应用于包括图像处理单元1100、无线收发机1200、音频处理单元1300、图像文件产生单元1400、存储器1500等的芯片。此外，可以通过芯片上系统的形式来形成芯片。
图18是示意性地示出了根据实施例的执行温度控制操作的计算机系统的方框图。参考图18，计算机系统2000可以包括与系统总线2060电连接的非易失性存储器2010、CPU2020、RAM2030、用户接口2040、调制解调器2050(例如，基带芯片组)。
如果计算机系统2000是移动设备，则还可以包括电池以向计算机系统2000供应操作电压。尽管在图18中未示出，计算机系统2000还可以包括应用芯片组、相机图像处理器(CIS)、移动DRAM等。
可以将并行执行体偏置调节操作和热节流操作的温度控制方法应用至诸如非易失性存储器2010、CPU2020、RAM2030、用户接口2040和调制解调制2050之类的部件。
根据本发明构思的半导体器件可以按照各种类型的封装进行安装。根据本发明构思的半导体器件的封装示例可以包括：封装体叠层(PoP)、球栅阵列(BGA)、芯片规模封装(CSP)、塑料引线芯片载体(PLCC)、塑料双列直插封装(PDIP)、华夫饼封装管芯(Die inWaffle Pack)、晶片式管芯、板载芯片(COB)、陶瓷双列直插封装(CERDIP)、塑料公制四方扁平封装(MQFP)、薄四方扁平封装(TQFP)、小外形集成电路(SOIC)、收缩小外形封装(SSOP)、薄小外形封装(TSOP)、系统封装(SIP)、多芯片封装(MCP)、晶片级制造封装(WFP)和晶片级处理堆叠封装(WSP)。
本发明构思也可以实现为在各种计算机和处理器中执行的编程命令，并且记录到计算机可读记录介质。计算机可读记录介质可以包括编程命令、数据文件、数据结构等中的一个或多个。记录到计算机可读记录介质的编程命令可以具体地设计或配置用于本发明构思，或者对于本领域普通技术人员是公知的。计算机可读记录介质的示例包括：磁介质，包括硬盘、磁带和软盘；光介质，包括CD-ROM和DVD；磁光介质，包括光磁软盘；以及设计用于在只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存等中存储和执行编程命令的硬件设备。编程命令的示例不但包括由编译器产生的机器码，而且包括通过使用解释器在计算机中执行的大代码(great code)。硬件设备可以配置为用作一个或多个软件模块以便执行本发明的操作，反之亦然。
尽管已经描述了示例性实施例，但是本领域普通技术人员应明白，在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下可以进行各种改变和改进。因此，应该理解，以上实施例不是限制性的，而是说明性的。

Claims (11)

1.一种控制半导体器件的温度的方法，包括：
检测半导体器件的温度；
基于检测的温度，将热节流模式设置为多个不同的热节流模式之一；以及
根据设置的热节流模式执行热节流操作和反向体偏置操作，其中在热节流操作中，根据设置的热节流模式调节提供给半导体器件的功能模块的驱动电压和驱动时钟频率中至少之一，并且在反向体偏置操作中，根据设置的热节流模式调节施加至半导体器件的功能模块的体偏置电压，
其中，利用热节流操作中对于驱动电压和驱动时钟频率中至少之一的调节来补偿反向体偏置操作中对于体偏置电压的调节而引起的性能下降。
2.根据权利要求1所述的方法，其中设置热节流模式包括基于半导体器件的驱动性能和半导体器件的功耗中的至少一个来设置热节流模式。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个热节流模式至少包括第一模式、第二模式和第三模式，并且第一模式、第二模式和第三模式中的每一个模式指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中执行反向体偏置操作包括：
当热节流模式设置为第一模式时，将体偏置电压的电平设置为第一电平；
当热节流模式设置为第二模式时，将体偏置电压的电平设置为第二电平；以及
当热节流模式设置为第三模式时，将体偏置电压的电平设置为第三电平，以及
其中第一电平高于第二电平，并且第二电平高于第三电平。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述功能模块根据操作性质包括多个子模块，并且提供给所述多个子模块中至少一个子模块的体偏置电压的电平与施加至其余子模块的体偏置电压的电平不同。
6.一种芯片上系统，包括：
多个晶体管；
体偏置发生器，配置为向所述多个晶体管提供体偏置电压；以及
控制器，配置为将热节流模式设置为多个不同的热节流模式之一，
所述控制器配置为根据设置的热节流模式激活热节流操作和反向体偏置操作，其中在热节流操作中，根据设置的热节流模式改变提供给所述多个晶体管的至少一个驱动电压和至少一个驱动时钟频率，并且在反向体偏置操作中，根据设置的热节流模式设置施加至所述多个晶体管的体偏置电压，并且
所述控制器配置为控制体偏置发生器，以基于芯片上系统的温度调节施加至所述多个晶体管的所设置体偏置电压的电平，
其中，利用热节流操作中对于驱动电压和驱动时钟频率中至少之一的改变来补偿反向体偏置操作中对于体偏置电压的调节而引起的性能下降。
7.根据权利要求6所述的芯片上系统，其中所述控制器基于芯片上系统的驱动性能和芯片上系统的功耗中的至少一个来设置热节流模式。
8.根据权利要求6所述的芯片上系统，其中所述多个热节流模式至少包括第一模式、第二模式和第三模式，并且第一模式、第二模式和第三模式中的每一个模式指定了不同水平的驱动时钟频率和不同电平的驱动电压。
9.根据权利要求8所述的芯片上系统，其中当热节流模式设置为第一模式时，控制器控制体偏置发生器以将体偏置电压的电平设置为第一电平；当热节流模式设置为第二模式时，控制器控制体偏置发生器以将体偏置电压的电平设置为第二电平；以及当热节流模式设置为第三模式时，控制器控制体偏置发生器以将体偏置电压的电平设置为第三电平，以及
其中第一电平高于第二电平，并且第二电平高于第三电平。
10.根据权利要求6所述的芯片上系统，还包括：
温度传感器，所述温度传感器测量芯片上系统的温度，并且将测量的温度提供给控制器。
11.根据权利要求7所述的芯片上系统，还包括：
性能监测器，所述性能监测器测量芯片上系统的性能并且将测量的性能提供给控制器，
其中所测量的性能包括芯片上系统的驱动性能和芯片上系统的功耗中的至少一个。
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