CN109521279A - 包括电容测量电路的半导体装置 - Google Patents

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Abstract

半导体装置可以包括电容测量电路。电容测量电路可以包括被配置为输出恒定电流的恒定电流电路。电容测量电路可以包括电压转换电路，该电压转换电路被配置为将恒定电流转换为检测电压，并且补偿由于电压转换电路的内部泄漏电流引起的检测电压的变化。电容测量电路可以包括代码发生电路，该代码发生电路被配置为将通过检测在检测电压增加到参考电压时所经过的时间而获得的值产生为代码信号。

Description

包括电容测量电路的半导体装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月19日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2017-0120619的韩国专利申请的优先权，其通过引用整体并入本文。
技术领域
各种实施例总体而言涉及一种半导体电路，并且更具体地，涉及一种包括在半导体装置中的电容测量电路。
背景技术
半导体装置可以由多个具有电容的器件(诸如晶体管和电容器)来构成。
在制造过程中上述器件的电容偏离目标值的情况下，可能对相应的半导体装置的操作性能产生实质影响。
因此，需要能够精确测量构成半导体装置的器件的电容的电路结构。
发明内容
在一个实施例中，可以提供一种包括电容测量电路的半导体装置。电容测量电路可以包括被配置为输出恒定电流的恒定电流电路。电容测量电路可以包括电压转换电路，该电压转换电路被配置为将恒定电流转换为检测电压，并且补偿由于电压转换电路的内部泄漏电流引起的检测电压的变化。电容测量电路可以包括代码发生电路，该代码发生电路被配置为将通过检测在检测电压增加到参考电压时所经过的时间而获得的值产生为代码信号。
在一个实施例中，可以提供一种包括电容测量电路和被测器件的半导体装置。电容测量电路可以包括被配置为产生恒定电流的电流源。电容测量电路可以包括第一开关电路，该第一开关电路被配置为根据测试模式信号来将恒定电流供给到被测器件，该被测器件将充电电压输出为检测电压。电容测量电路可以包括第二开关电路，该第二开关电路被配置为将通过其输出检测电压的节点的电压电平重置为接地端子的电平。电容测量电路可以包括比较器，该比较器被配置为通过将参考电压与检测电压进行比较来产生比较信号。电容测量电路可以包括计数器，该计数器被配置为通过将比较信号作为振荡信号进行计数来输出代码信号。
附图说明
图1是示出根据一个实施例的半导体装置1的配置的示例性代表的示图。
图2是示出根据一个实施例的半导体装置中包括的电容测量电路100的配置的示例性代表的示图。
图3是示出图2所示的恒定电流电路200的配置的示例性代表的示图。
图4是示出图2所示的电压转换电路300的配置的示例性代表的示图。
图5是示出图2所示的代码发生电路400的配置的示例性代表的示图。
图6是示出图5所示的控制逻辑430的配置的示例性代表的示图。
具体实施方式
各种实施例可以针对包括在半导体装置中的电容测量电路，并且电容测量电路能够精确地测量包括在半导体装置中的器件的电容。
作为参考，可以提供包括附加组件的实施例。此外，指示信号或电路的激活状态的高电平配置或低电平配置可以根据实施例而改变。此外，可以修改实现相同功能所需的晶体管的配置。即，根据具体情况，PMOS晶体管的配置和NMOS晶体管的配置可以彼此替换。如果需要，可以应用各种晶体管来实现这些配置。
作为参考，可以提供包括附加组件的实施例。此外，指示信号或电路的激活状态的高电平配置或低电平配置可以根据实施例而改变。此外，可以修改实现相同功能或操作所需的一个逻辑门或多个逻辑门的配置。即，根据具体情况，一种类型的操作的逻辑门配置和用于相同类型的操作的另一个逻辑门配置可以彼此替换。如果需要，可以应用各种逻辑门来实现这些配置。
此外，信号的逻辑电平可以与所描述的不同或相反。例如，被描述为具有逻辑“高”电平的信号可以可选地具有逻辑“低”电平，而被描述为具有逻辑“低”电平的信号可以可选地具有逻辑“高”电平。
在下文中，下面将参考附图通过实施例的各种示例来描述包括电容测量电路的半导体装置。
如图1所示，根据一个实施例的半导体装置1可以包括电容测量电路100、命令处理电路10和被测器件(DUT)101。
命令处理电路10可以通过对从外部测试设备2提供的命令CMD进行解码来产生多个测试模式信号TM<1:N>。
电容测量电路100可以根据多个测试模式信号TM<1:N>来将通过测量被测器件101的电容而产生的代码信号COUT提供给测试设备2。
被测器件101可以是半导体装置1中的各种电路组件中的任意一种，并且例如可以是包括在存储单元中的电容器。
如图2所示，根据一个实施例的电容测量电路100可以包括恒定电流电路200、电压转换电路300和代码发生电路400。
作为用于产生恒定电流(即，直流(DC)电流)的电流源的恒定电流电路200可以根据参考电压VREF来产生具有不同电流量的多个电流，可以根据多个测试模式信号TM<1:N>之中的测试模式信号TM<1:4>来选择多个电流中的一个电流作为恒定电流IOUT，并且可以将恒定电流IOUT输出到内部或外部。
根据多个测试模式信号TM<1:N>之中的测试模式信号TM<5:6>，电压转换电路300可以产生根据恒定电流IOUT和被测器件101的电容而增加的检测电压VOUT，并且可以补偿内部泄漏电流引起的检测电压VOUT的变化。
检测电压VOUT可以根据时间和电流来线性增加，并且其斜率可以与恒定电流IOUT成比例而与被测器件101的电容成反比。
根据多个测试模式信号TM<1:N>之中的测试模式信号TM<6:8>，代码发生电路400可以将通过检测在检测电压VOUT增加到参考电压VREF并最终等于参考电压VREF值时所经过的时间而获得的值产生为代码信号COUT。
如图3所示，恒定电流电路200可以包括比较器210、电流镜220、第一开关电路250和第二开关电路260。
比较器210可以放大并输出反馈电压VFB与参考电压VREF的差值。
根据测试模式信号TM<1:4>，电流镜220可以从根据比较器210的输出而镜像的电流I1和电流I2中选择一个电流，并且将选中的一个电流输出为恒定电流IOUT。
电流镜220可以包括第一晶体管221至第三晶体管223以及电阻器R。
第一晶体管221可以具有与电源端子电耦接的源极、与电阻器R电耦接的漏极以及接收比较器210的输出的栅极。
反馈电压VFB可以由从第一晶体管221的漏极流过电阻器R的第一电流I1来产生。
第二晶体管222可以具有与电源端子电耦接的源极、与第二开关电路260电耦接的漏极以及接收比较器210的输出的栅极。
第二晶体管222可以被设计为与第一晶体管221相同，并且可以具有与第一晶体管221相同的电流驱动能力。
因此，与第一晶体管221中的量相同的第一电流I1可以流过第二晶体管222。
第三晶体管223可以具有与电源端子电耦接的源极、与第一开关电路250电耦接的漏极以及接收比较器210的输出的栅极。
第三晶体管223可以被设计为与第一晶体管221不同，并且可以具有与第一晶体管221不同的电流驱动能力。
因此，与第一晶体管221中的量不同的第二电流I2可以流过第三晶体管223。
根据测试模式信号TM<1:2>，第一开关电路250可以将第一电流I1和第二电流I2中的一个电流输出为恒定电流IOUT。
根据测试模式信号TM<3:4>，第二开关电路260可以经由焊盘270将第一电流I1和第二电流I2中的一个电流输出到半导体装置1的外部。
该实施例示出了配置电流镜220以将第一电流I1和第二电流I2镜像的简单示例，并且可以实现为根据需要来将增加数量的电流镜像。就此而言，应该注意，配置电流镜220的晶体管或/和电阻器的数量以及它们之中的电耦接关系可以根据配置的改进而改变。
焊盘270可以是半导体装置1的数据输入/输出焊盘(DQ)之中的一个。
图3所示的恒定电流电路200的操作如下。
首先，尽管根据实施例的电容测量不是必要的，但是为了允许精确地执行电容测量，可以查验从恒定电流电路200实际提供的电流量是否对应于目标量。
在一个实施例中，在第一开关电路250的所有开关通过使用测试模式信号TM<1:2>而被关断的状态下，通过使用测试模式信号TM<3:4>来导通第二开关电路260的一个开关，第一电流I1和第二电流I2中的一个电流可以经由焊盘270被输出到测试设备2。
因此，通过使用测试设备2，可以查验在第一电流I1和第二电流I2之间被选中的任意一个电流的电流量是否对应于目标量。
在上述电流量查验完成之后，通过使用测试模式信号TM<3:4>来关断第二开关电路260的所有开关并且通过使用测试模式信号TM<1:2>来控制第一开关电路250的开关，可以将在第一电流I1和第二电流I2中选中的任意一个电流提供给电压转换电路300。
如图4所示，电压转换电路300可以包括第一开关电路310至第三开关电路330。
第一开关电路310可以电耦接在恒定电流IOUT的线(即，用于传输恒定电流IOUT的电源线)与被测器件101之间。
根据测试模式信号TM<5>，第一开关电路310可以将恒定电流IOUT充电至被测器件101。
被测器件101可以将通过对恒定电流IOUT进行充电而产生的电压输出为检测电压VOUT。
第二开关电路320可以电耦接在恒定电流IOUT的线与接地端子之间。
根据测试模式信号TM<6>，第二开关电路320可以将恒定电流IOUT通过接地端子放电。
第三开关电路330可以电耦接在电源端子与恒定电流IOUT的线之间。
图4所示的电压转换电路300的操作如下。
电压转换电路300可以操作为将从图3的恒定电流电路200供应的恒定电流IOUT转换成电压形式，即，检测电压VOUT。
在将恒定电流IOUT转换成检测电压VOUT之前，需要将检测电压VOUT的节点重置为初始电平(例如，0V)的过程。
通过使用逻辑高的测试模式信号TM<6>来导通第二开关电路320，可以将检测电压VOUT的节点重置为初始电平(例如，0V)。
此后，当第二开关电路320通过使用测试模式信号TM<6>而被关断以转换为逻辑低时，恒定电流IOUT被供给到检测电压VOUT的节点，并且因此，检测电压VOUT线性增加。
第三开关电路330保持关断状态而不被单独控制。
第三开关电路330可以具有与第二开关电路320相同的特性。
第一开关电路310至第三开关电路330中的每一个开关电路可以由诸如晶体管的开关器件来配置。在诸如晶体管的器件的关断状态下，可能会引起泄漏电流。
在一个实施例中，第二开关电路320在检测电压VOUT的节点被重置之后保持关断状态，并且在第二开关电路320的关断状态下可能发生泄漏电流到接地端子。因此，通过保持关断状态的第三开关电路330的泄漏电流来补偿与在第二开关电路320中产生的泄漏电流相对应的电流，可以补偿电容测量中的误差。
如图5所示，代码发生电路400可以包括开关电路410、比较器420、控制逻辑430、振荡器440、逻辑门450和计数器460。
比较器420可以通过放大第一输入端子+与第二输入端子-的电压差来产生比较信号CMP。
开关电路410可以根据测试模式信号TM<7:8>来将检测电压VOUT和参考电压VREF中的任意一个输入到比较器420的第一输入端子+，而将检测电压VOUT和参考电压VREF中的另一个输入到第二输入端子-。
在测试模式信号TM<7:8>是低电平的情况下，开关电路410可以将检测电压VOUT和参考电压VREF分别输入到比较器420的第一输入端子+和第二输入端子-。
在测试模式信号TM<7：8>是高电平的情况下，开关电路410可以将检测电压VOUT和参考电压VREF分别输入到比较器420的第二输入端子-和第一输入端子+。
控制逻辑430可以通过将比较信号CMP和测试模式信号TM<6:8>组合来产生振荡使能信号OSC_EN和计数使能信号CNT_EN。
振荡器440可以在振荡使能信号OSC_EN的激活时段内产生振荡信号OSC。
逻辑门450可以对振荡信号OSC和计数使能信号CNT_EN执行与非逻辑功能，并且输出输出信号。
计数器460可以在计数使能信号CNT_EN的激活时段内将比较信号CMP作为振荡信号OSC进行计数，并输出代码信号COUT。
即，计数器460可以将通过对逻辑门450的输出信号的下降沿进行计数而获得的值作为代码信号COUT经由焊盘470输出到半导体装置1的外部。
焊盘470可以是半导体装置1的数据输入/输出焊盘(DQ)之中的一个。
如图6所示，控制逻辑430可以包括逻辑门431和设置-重置(SR)锁存器432。
逻辑门431可以将对比较信号CMP和测试模式信号TM<7：8>执行XOR功能的结果输出为重置信号RST。
在测试模式信号TM<7:8>为低电平的情况下，当比较信号CMP从低电平转换为高电平时，逻辑门431可以将重置信号RST激活为高电平。
在测试模式信号TM<7:8>为高电平的情况下，当比较信号CMP从高电平转换为低电平时，逻辑门431可以将重置信号RST激活为高电平。
根据测试模式信号TM<6>的下降沿，SR锁存器432可以将振荡使能信号OSC_EN和计数使能信号CNT_EN激活为高电平。
随着重置信号RST被激活，SR锁存器432可以将振荡使能信号OSC_EN和计数使能信号CNT_EN去激活至低电平。
以下，将描述根据一个实施例的半导体装置1的电容测量操作。
在一个实施例中，在第一开关电路310通过使用测试模式信号TM<5>而被关断的情况下，由于对被测器件101的电流供应被切断，因此可以不测量被测器件101的电容，而是测量电容测量电路100本身的电容，即，寄生电容(为了便于解释，由Cpar表示)。
在第一开关电路310被导通的情况下，可以测量总电容(为了便于解释，由Ctot表示)作为寄生电容Cpar和被测器件101的电容(为了便于解释，由Cdut表示)的总和。
因此，满足表达式Cdut＝Ctot-Cpar。
结果，通过在第一开关电路310被关断的状态下执行初级电容测量，然后在第一开关电路310被导通的状态下执行次级电容测量，可以仅计算被测器件101的电容Cdut。
首先，其中第一开关电路310被关断时仅测量电容测量电路100本身的电容的初级电容测量可以如下执行。
通过在预定时间内将测试模式信号TM<6>保持在高电平来导通第二开关电路320，可以将检测电压VOUT的节点重置为初始电平(例如，0V)。
当测试模式信号TM<6>从高电平转换为低电平时，控制逻辑430激活振荡使能信号OSC_EN和计数使能信号CNT_EN。
当振荡使能信号OSC_EN被激活时，振荡器440产生振荡信号OSC。
当测试模式信号TM<6>转换为低电平时，第二开关电路320被关断并且恒定电流IOUT被供给到检测电压VOUT的节点，并且相应地，检测电压VOUT线性增加。
此时，由于第一开关电路310处于关断状态，所以恒定电流IOUT对被测器件101的供应被切断。
根据测试模式信号TM<7:8>，检测电压VOUT和参考电压VREF可以分别被输入到比较器420的第一输入端子+和第二输入端子-。
在检测电压VOUT低于参考电压VREF的情况下，比较器420输出在低电平的比较信号CMP。
在计数使能信号CNT_EN被激活的时段内，计数器460通过对经由逻辑门450反相的振荡信号OSC的下降沿进行计数来增加代码信号COUT的值。
如果检测电压VOUT上升并且变得等于或高于参考电压VREF，则比较器420输出在高电平的比较信号CMP，并且相应地，振荡使能信号OSC_EN和计数使能信号CNT_EN被重置为低电平。
因此，由于逻辑门450的输出被保持在高电平，所以计数器460保持代码信号COUT的当前值。
结果，由于代码信号COUT的值可以根据电容测量电路100本身的电容是大还是小而不同，因此代码信号COUT的值可以用作电容测量值。
由于比较器420可以具有基本偏移，所以对第一输入端子+和第二输入端子-的输入通过使用测试模式信号TM<7:8>而被颠倒。换言之，在将参考电压VREF输入到第一输入端子+并且将检测电压VOUT输入到第二输入端子-之后，重复用于产生代码信号COUT的上述过程。
通过计算在检测电压VOUT和参考电压VREF分别被输入到比较器420的第一输入端子+和第二输入端子-的状态下产生的代码信号COUT的值与通过颠倒输入产生的代码信号COUT的值的平均值，可以消除由比较器420本身的偏移引起的电容测量的误差。
接下来，可以如下执行第一开关电路310被导通的状态下的次级电容测量。
通过在预定时间内将测试模式信号TM<6>保持在高电平来导通第二开关电路320，可以将检测电压VOUT的节点重置为初始电平(例如，0V)。
当测试模式信号TM<6>从高电平转换为低电平时，控制逻辑430激活振荡使能信号OSC_EN和计数使能信号CNT_EN。
当振荡使能信号OSC_EN被激活时，振荡器440产生振荡信号OSC。
当测试模式信号TM<6>转换为低电平时，第二开关电路320被关断，并且与此同时或者在预定时间之后，第一开关电路310通过使用测试模式信号TM<5>而被导通。
当第一开关电路310被导通时，恒定电流IOUT开始被充电至被测器件101(参见图4)，并且，当恒定电流IOUT被供给到检测电压VOUT的节点时，检测电压VOUT线性增加。
根据测试模式信号TM<7:8>，检测电压VOUT和参考电压VREF可以分别被输入到比较器420的第一输入端子+和第二输入端子-。
在检测电压VOUT低于参考电压VREF的情况下，比较器420输出在低电平的比较信号CMP。
因此，计数器460通过对由逻辑门450反相的振荡信号OSC的下降沿进行计数来增加代码信号COUT的值。
如果检测电压VOUT上升并且变得等于或高于参考电压VREF，则比较器420输出在高电平的比较信号CMP，并且相应地，振荡使能信号OSC_EN和计数使能信号CNT_EN被重置为低电平。
因此，由于逻辑门450的输出被保持在高电平，所以计数器460保持代码信号COUT的当前值。
结果，由于代码信号COUT的值可以根据被测器件101的电容和电容测量电路100本身的电容是大还是小而不同，所以可以使用代码信号COUT的值作为电容测量值。
由于比较器420可以具有基本偏移，所以对第一输入端子+和第二输入端子-的输入通过使用测试模式信号TM<7:8>而被颠倒。换言之，在将参考电压VREF输入到第一输入端子+而将检测电压VOUT输入到第二输入端子-之后，重复用于产生代码信号COUT的上述过程。
通过计算在检测电压VOUT和参考电压VREF分别被输入到比较器420的第一输入端子+和第二输入端子-的状态下产生的代码信号COUT的值与通过颠倒输入产生的代码信号COUT的值的平均值，可以消除由比较器420本身的偏移引起的电容测量误差。
虽然以上已经描述了各种实施例，但是本领域技术人员将会理解，所描述的实施例仅是示例。因此，本文中所描述的半导体装置的电容测量电路不应该基于所描述的实施例进行限制。

Claims (17)

1.一种半导体装置，包括：
电容测量电路，其包括：
恒定电流电路，其被配置为输出恒定电流；
电压转换电路，其被配置为将恒定电流转换成检测电压，并且补偿由于电压转换电路的内部泄漏电流引起的检测电压的变化；以及
代码发生电路，其被配置为将通过检测在检测电压增加到参考电压时所经过的时间而获得的值产生为代码信号。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：
被测器件，
其中，电压转换电路基于从恒定电流电路接收的恒定电流和被测器件的电容来将恒定电流转换为检测电压以产生检测电压。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，恒定电流电路被配置为根据参考电压来产生多个电流，并且将所述多个电流之中的一个电流输出为恒定电流。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，恒定电流电路包括：
比较器，其被配置为放大并输出反馈电压与参考电压的差值；
电流镜，其被配置为根据比较器的输出来产生具有不同电流量的所述多个电流；以及
第一开关电路，其被配置为通过选择所述多个电流之中的一个电流来输出恒定电流。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，恒定电流电路还包括：
第二开关电路，其被配置为经由焊盘将所述多个电流中的一个电流输出到半导体装置的外部。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：
被测器件，
其中，电压转换电路包括：
第一开关电路，其电耦接在恒定电流线与被测器件之间；
第二开关电路，其电耦接在恒定电流线与接地端子之间；以及
第三开关电路，其电耦接在电源端子与恒定电流线之间。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，第三开关电路被配置为保持关断状态而不被单独控制。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，代码发生电路包括：
比较器，其被配置为通过放大检测电压与参考电压的电压差来产生比较信号；
控制逻辑，其被配置为根据比较信号来产生振荡使能信号和计数使能信号；
振荡器，其被配置为在振荡使能信号的激活时段内产生振荡信号；
逻辑门，其被配置为通过将振荡信号和计数使能信号组合来输出输出信号；以及
计数器，其被配置为将通过对逻辑门的输出信号进行计数而获得的值输出为代码信号。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，还包括：
被测器件，
其中，控制逻辑包括：
逻辑门，其被配置为根据比较信号来产生重置信号；以及
设置-重置SR锁存器，其被配置为根据用于控制恒定电流被供给到被测器件的时间的测试模式信号和重置信号来产生振荡使能信号和计数使能信号。
10.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，代码发生电路还包括：
开关电路，其被配置为将检测电压和参考电压中的任意一个输入到比较器的第一输入端子，而将检测电压和参考电压中的另一个输入到第二输入端子。
11.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，计数器经由焊盘将代码信号输出到半导体装置的外部。
12.一种半导体装置，包括：
被测器件；以及
电容测量电路，其包括：
电流源，其被配置为产生恒定电流；
第一开关电路，其被配置为根据测试模式信号来将恒定电流供给到被测器件，所述被测器件将充电电压输出为检测电压；
第二开关电路，其被配置为将通过其输出检测电压的节点的电压电平重置为接地端子的电平；
比较器，其被配置为通过将参考电压与检测电压进行比较来产生比较信号；以及
计数器，其被配置为通过将比较信号作为振荡信号进行计数来输出代码信号。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其中，电流源被配置为产生具有不同电流量的多个电流，并且通过选择所述多个电流中的一个电流来输出恒定电流。
14.根据权利要求12所述的半导体装置，还包括：
第三开关电路，其电耦接在电源端子与通过其输出检测电压的节点之间，并且被配置为将与在第二开关电路中产生的泄漏电流相对应的电流泄漏到通过其输出检测电压的节点。
15.根据权利要求14所述的半导体装置，还包括：
第四开关电路，其被配置为将检测电压和参考电压中的任意一个输入到比较器的第一输入端子，而将检测电压和参考电压中的另一个输入到比较器的第二输入端子。
16.根据权利要求12所述的半导体装置，还包括：
控制逻辑，其被配置为根据测试模式信号和比较信号来产生振荡使能信号；以及
振荡器，其被配置为在振荡使能信号的激活时段内产生振荡信号。
17.根据权利要求16所述的半导体装置，其中，控制逻辑包括：
逻辑门，其被配置为根据比较信号来产生重置信号；以及
设置-重置SR锁存器，其被配置为根据测试模式信号和重置信号来产生振荡使能信号。
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