DE10011179A1 - Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter-Chips und Halbleiterchip mit Temperaturmessanordnung - Google Patents

Abstract

Um bei einem Halbleiter-Chip, insbesondere einem Halbleiter-Speicher, dessen Temperatur im Active-Betrieb genau bestimmen zu können, ist die temperaturabhängige Diodenstruktur (14) des Chips in Vierleiter-Anschlusstechnik an vier Chip-Anschlüsse (11, 12) angeschlossen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermitt­ lung der Temperatur eines Halbleiter-Chips sowie einen Halb­ leiter-Chip mit einer Temperaturmessanordnung.

Im Zuge der fortschreitenden Steigerung der Speicherdichte werden die Chipflächen immer kleiner und die Betriebsfrequen­ zen immer höher. Dadurch steigt die ins Halbleitermaterial eingebrachte Energiedichte. Es entsteht beim Betrieb des Chips, beispielsweise eines DRAMs oder SDRAMs, eine nicht un­ erhebliche Verlustleistung. Diese bewirkt, dass die Chips sich auf eine Temperatur aufheizen, die erheblich höher sein kann als die Umgebungstemperatur. Das Verhalten des Speicher­ bausteins wird durch zu hohe Temperaturen jedoch negativ be­ einflusst. Die quantitative Kenntnis der Halbleiterchip- Temperatur ist deshalb aus verschiedenen Gründen von Interes­ se. Es besteht daher ein Bedarf an deren Ermittlung. Dies ge­ staltet sich allerdings bei Verwendung von herkömmlichen Ver­ fahren zur Temperaturmessung, d. h. bei Temperaturmessungen mit Hilfe von Temperaturfühlern erkennbar als kompliziert, und zwar insbesondere dann, wenn die Messung an einem im be­ stimmungsgemäßen Einsatz befindlichen, d. h. in einem Gehäuse untergebrachten und in einer bestimmten Schaltung betriebenen Halbleiter-Chip durchgeführt werden soll.

Aus der Druckschrift DE 196 52 046 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter-Chips H (Fig. 1) bekannt, wobei folgende Verfahrens-Schritte vorgesehen sind: Beaufschlagen ausgewählter Chip-Anschlüsse E, V1, V2 mit der­ art gepolten und bemessenen Spannungen oder Einprägen derart gepolter oder bemessener Ströme in dieselben, dass der sich dabei einstellende Stromfluß und/oder die sich dabei einstel­ lende Spannung zumindest teilweise durch eine zwischen den ausgewählten Chip-Anschlüssen vorgesehene Diode D1, D2 oder eine als solche wirkende Struktur bestimmt werden, Ermitteln der sich hierbei einstellenden Spannungs- und Stromwerte, und Bestimmen der Temperatur des Halbleiter-Chips anhand der er­ mittelten Spannungs- und Stromwerte unter Verwendung einer zuvor für den zu untersuchenden Halbleiter-Chip H oder Halb­ leiter-Chip-Typ ermittelten Strom/Spannungs-Temperatur-Zuord­ nung. Dabei wird der bekannte Effekt ausgenutzt, dass der über einen pn-Übergang bzw. durch eine Diode fließende Strom (bei fest eingestellter Spannung) bzw. die sich an der Diode einstellende Spannung (bei eingeprägtem Strom) von der Tempe­ ratur der Diode bzw. deren pn-Überganges abhängt. Diese Ab­ hängigkeit ermöglicht es, aus der an der ausgewählten Diode anliegenden Spannung und dem durch diese fließenden Strom de­ ren Temperatur genau zu bestimmen. Die zur Messung herangezo­ genen Dioden müssen nicht extra für diesen Zweck vorgesehene Dioden sein, sondern können auch ohnehin auf dem Halbleiter- Chip vorhandene Dioden sein. Derartige Dioden sind beispiels­ weise Überspannungsschutzdioden oder Verpolschutzdioden. Als die Temperatur-Messdioden können alternativ oder zusätzlich auch als solche wirkende Strukturen verwendet werden; derar­ tige Strukturen entstehen automatisch, wenn das Halbleiter- Chip-Substrat mit anders dotierten Wannen versehen ist.

Zur Kalibrierung der auf dem Chip integrierten Temperatur­ messanordnung muss der zu untersuchende Chip oder Chip-Typ vorab hinsichtlich der bei verschiedenen Chip-Temperaturen fließenden Ströme bzw. der sich einstellenden Spannungen cha­ rakterisiert werden. Dazu werden beispielsweise Messungen von sich einstellenden Strömen oder Spannungen an einem von aus­ sen aufeinanderfolgend auf vorbestimmte Temperaturen aufge­ heizten Halbleiter-Chip durchgeführt. Der zu charakterisie­ rende Chip wird dabei zunächst in einen thermostatisierten Messraum gegeben und dort im nicht betriebenen Zustand auf eine definierte Temperatur gebracht. Zu einem Zeitpunkt, zu dem davon ausgegangen werden kann, dass der Halbleiter-Chip eine definierte Temperatur erreicht hat, wird der Halbleiter- Chip H derart in Betrieb genommen, daß entweder die Diode D1 oder die Diode D2 leitend werden. Die an den Eingangssig­ nalanschluß E angelegte Spannung und der als dessen Folge über den Eingangssignalanschluß E fließende Strom bzw. der in den Eingangssignalanschluß E eingeprägte Strom und die sich als Folge dessen dort einstellende Spannung werden ermittelt und der definierten Temperatur zugeordnet. Wiederholt man diesen Meß- und Zuordnungsvorgang für verschiedene Temperatu­ ren, so erhält man eine Strom/Spannungs-Temperatur-Kennlinie, aus welcher sich später anhand von gemessenen Strom- und/oder Spannungswerten die Chip-Temperatur exakt bestimmen läßt. Allgemein ist es dabei günstig, wenn die durch die Tempera­ turmessung im Halbleiter-Chip erzeugte Verlustleistung mög­ lichst gering gehalten wird. Wenn der Halbleiter-Chip während der Temperaturmessung normal weiterbetrieben wird, erweist es sich darüber hinaus als vorteilhaft, wenn der Halbleiter-Chip während der Temperaturmessung derart betrieben wird, daß das Auftreten von Verlustleistungen, welche die eigentlich zu messende Temperatur verändern können, so weit wie möglich eingeschräkt wird.

Soll während des "normalen" Betriebs (Normalbetriebs) eine Messung der aktuellen Halbleiter-Chip-Temperatur durchgeführt werden, muß im Normalbetrieb an den Eingangssignalanschluß E eine derart gepolte und bemessene Spannung angelegt bzw. ein derart gepolter und bemessener Strom eingeprägt werden, daß eine der Dioden D1 und D2 dadurch in den leitenden Zustand versetzt wird und der sich einstellende Strom bzw. sie sich einstellende Spannung durch die leitend gewordene Diode be­ stimmt wird. Die sich dabei einstellenden Spannungs- und Stromwerte werden, wie oben beschrieben, zur Temperaturbe­ stimmung herangezogen. Als Eingangssignalanschluß E wird vor­ zugsweise ein solcher Halbleiter-Chip-Anschluß ausgewählt, welcher mit einer Meßspannung beaufschlagt werden kann bzw. in welchen ein Meßstrom eingeprägt werden kann, ohne den "normalen" Betrieb des Halbleiter-Chips zu stören oder un­ terbrechen zu müssen.

Weiterhin ist aus dem Fachbuch "Elektrische Messtechnik", E. Schrüfer, Carl Hanser Verlag München Wien 1983, ein Verfahren zur Messung kleiner ohmscher Widerstände bekannt. Dabei wird in den Widerstand R ein bekannter Strom I eingeprägt und die über den Widerstand abfallende Spannung U gemessen. Bei der Messung sehr kleiner Widerstände sind die an den Klemmen auf­ tretende Übergangswiderstände nicht zu vernachlässigen. Um sie nicht mitzumessen, empfiehlt sich die in Fig. 2 skizzier­ te Vierleiter-Anschlusstechnik. Hierbei sind die Klemmen 1 und 2 der Stromzuführung von denen der Meßleitung (Potential­ klemmen) 3 und 4 getrennt. Die möglichen Spannungsabfälle an den Anschlußpunkten 1 und 2 werden nicht gemessen. Die Über­ gangswiderstände an den Klemmen 3 und 4 liegen in Reihe mit dem Eingangswiderstand des Spannungsmessers und können ebenso wie die Widerstände der Messleitungen vernachlässigt werden, solange der Spannungsmesser genügend hochohmig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. einen gattungsgemäßen Halbleiter-Chip derart weiterzubilden, daß die zu ermittelnde Halbleiter-Chip-Temperatur einfach und mit hoher Genauigkeit bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und bei einem Halblei­ ter-Chip mit den Merkmalen des Patentanspruches 3 gelöst. Auf dem Chip wird eine Temperatur-Messschaltung prozessiert, mit der über eine Vierleiter-Messtechnik die tatsächliche Chiptemperatur während des Normal- bzw. Active-Betriebes des Chips genau ermittelt werden kann. Die während des Active- Betriebes hevorgerufenen Spannungsschwankungen, z. B. infolge Ground-bounces, verursachen erfindungsgemäß vernachlässigbare Messfehler. Die erfindungsgemäße Messschaltung kann dabei entweder über einen Testmodus und Schalttransistoren oder Transfer-Gatter oder über eine Metalloption zugeschaltet wer­ den.

Vorteilhafterweise sind in den Verbindungsleitungen und/oder in den Messleitungen der Temperatur-Messschaltung Halbleiter­ schalter vorgesehen, die beispielsweise von einer auf dem Chip integrierten Steuerschaltung betätigbar sind. Zur Ein­ speisung des Messstromes sowie zur Messung des Spannungswer­ tes mittels einer externen Testanordnung für die Ermittlung der Chip-Temperatur im Active-Betrieb wird zunächst die Chip- eigene Temperatur-Messanordnung aktiviert. Dazu werden die auf dem Chip integrierten Schalter geschlossen. Dadurch ist die Temperatur-Messanordnung über die Chip-Messanschlüsse von extern zugänglich. Nach Beendigung der Temperaturmessung kön­ nen diese Schalter wieder geöffnet werden, um die Messan­ schlüsse wieder für den normalen Gebrauch des Chips bereit­ stellen zu können. Die Temperaturmessung kann also an jedem beliebigen Chip eines Wafers oder auch im gehäusten Chip durchgeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dienen als die vier Dioden-Chip-Anschlüsse ohnehin vorhandene Adress- oder In­ put/Output-Anschlüsse des Bausteins, die mit entsprechenden Adress- oder Input/Output-Leitungen verbunden sind. Falls die Steuerschaltung und die Schalter auf den Chip integriert sind, können diese Anschlüsse im Normalbetrieb ohne Nutzungs­ beschränkung als Adress- und Input/Output-Anschlüsse genutzt werden, während sie im Testbetrieb vorübergehend als Messan­ schlüsse zur Temperaturmessung dienen. Als Chipanschlüsse können auch Chip-interne Anschluss-Pads oder feste Spannungs­ potentiale dienen.

Nachfolgend sind anhand schematischer Darstellungen zwei Aus­ führungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiter-Chips und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Anordnung von Überspannungs­ schutzdioden oder als solche wirkende Strukturen in ei­ nem Halbleiter-Chip gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Schaltbild zur Messung sehr niedriger ohm­ scher Widerstände in Vierleiter-Technik gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 schematisch den erfindungsgemäßen Halbleiter- Chip,

Fig. 4 ein Schaltbild der Temperatur-Messanordnung eines Halbleiter-Chips gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 5 ein Schaltbild der Temperatur-Messanordnung eines Halbleiter-Chips gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Gemäß Fig. 3 weist ein Halbleiter-Speicherbaustein, bei­ spielsweise ein DRAM, einen gehäusten Halbleiter-Chip 10 mit zahlreichen Chipanschlüssen bzw. Pins auf. Insbesondere sind in bekannter Weise unter anderem zahlreiche Adress- und In­ put-/Output-Pins vorgesehen. Für die integrierte Temperatur­ messanordnung des Chips 10 sind aus den Pins jeweils zwei als erstes Chipanschlusspaar 11 und als zweites Chipanschlusspaar 12 ausgewählt. Über zwei Verbindungsleitungen 13 des Chips ist eine Messdiode 14 oder eine entsprechend geeignete Halb­ leiterstruktur mit den Pins 11 leitend verbunden. Über zwei Messleitungen 15 ist die Messdiode 14 oder die entsprechend geeignete Halbleiterstruktur mit den Pins 12 leitend verbun­ den. Dabei ist zu beachten, dass die Spanungsmessung um so genauer ist, um so räumlich enger die beiden Messleitungen 15 entsprechend der oben beschriebenen Vierleiter-Anschluss­ technik an die temperaturabhängige Halbleiterstruktur des pn- Überganges bzw. der Messdiode 14 angeschlossen sind. Zur Tem­ peraturbestimmung des Chips 10 wird über das erste Chipan­ schlusspaar 11 ein bekannter Strom I, beispielsweise von ei­ ner nicht gezeigten externen Messanordnung, in Durchlassrich­ tung in die Messdiode 14 eingespeist und die sich dabei ent­ sprechend der Temperatur der Messdiode 14 bzw. des Halblei­ ter-Chips 10 am pn-Übergang einstellende Messspannung U am zweiten Chipanschlusspaar 12 gemessen (Fig. 3). Die Tempera­ turmessung kann dabei sowohl am gehäusten einzelnen Chip als auch vorab an jedem beliebigen Chip auf dem Wafer erfolgen.

In Fig. 4 ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild der Temperatur-Messanordnung in einem SDRAM-Chip gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei aus Vereinfachungsgründen, soweit möglich, die Bezugszeichen aus Fig. 3 übernommen wer­ den. Die integrierte Messdiode 14 ist über die Verbindungs­ leitungen 13 zwischen den Pin 11 und das Massepotential der Halbleiterschaltung geschaltet. Dabei sind entsprechend der Leitergeometrie und der Dotierungsverhältnisse bekannterweise parasitäre Widerstände 16 wirksam. Weiterhin ist in der Ver­ bindungsleitung 13 zwischen dem Pin 11 und der Messdiode 14 ein niederohmiger p-FET im Strompfad als Stromschalter 17 an­ geordnet. Die Messleitungen 15 sind räumlich möglichst dicht an der temperaturabhängigen Diodenstruktur 14 angeschlossen. Dadurch ist sichergestellt, daß der zwischen den Spannungsan­ schlusspunkten der Verbindungsleitung 13 und der Messdiode 14 auftretende parasitäre Widerstand ausreichend gering ist. Zu­ dem ist dadurch auch die an diesem Widerstand auftretende, die Spannungsmessung verfälschende Spannung und damit der Temperatur-Messfehler gering gehalten. Die in den parasitären Widerständen 16 der Verbindungsleitungen 13 im Messstrompfad möglicherweise auftretenden Spannungsschwankungen sind auf­ grund der Vierleiter-Messtechnik ohnehin bedeutungslos. Die parasitären Widerstände 16 der Spannungs-Messleitungen 15 verursachen einen vernachlässigbaren Fehler, da an die Span­ nungsmessungs-Pins 12 ein hochohmiges Spannungsmessgerät an­ geschlossen wird (nicht gezeigt). In den beiden Messleitungen 15 ist jeweils ein Spannungsschalter 18 in Form eines n-FETs oder alternativ ein Transfer-Gatter angeordnet. Die inte­ grierte Schaltung weist zudem eine Steuerschaltung 19 auf, die über ausgewählte Pins des Chips angesteuert werden kann (nicht gezeigt) zum Öffnen bzw. Schließen der Schalter 17, 18. Gegebenenfalls kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Schalter 17, 18 - ohne eine Steuerschaltung - alleine durch das Anlegen geeigneter Spannungspegel an ausgewählte Chipanschlüsse für die Temperaturmessung geschlossen werden können.

Beim Funktionstest des Chips wird dieser entsprechend der Be­ triebsbedingungen in bekannten Testroutinen betrieben. Dabei wird der Chip durch im Betrieb entstehende Verlustleitung er­ wärmt und gegebenenfalls werden ausgewählte Umgebungstempera­ turen für den Chip eingestellt. Um die sich dabei einstellen­ de interne Chiptemperatur genau bestimmen zu können, wird im Active-Betrieb an die Steuerschaltung 19 ein entsprechendes Steuersignal gelegt. Dadurch werden der Stromschalter 17 und die Spannungschalter 18 geschlossen, wodurch die interne Tem­ peratur-Messschaltung mit den beiden Chipanschlusspaaren 11, 12 bzw. den Temperatur-Messpins verbunden ist. Der in die Chip-Pins 11 von einer Konstant-Stromquelle (nicht gezeigt) eingespeiste, bekannte Konstantstrom verursacht in der Mess­ diode 14 einen von der Messdioden-Temperatur abhängigen Span­ nungsabfall. Über die Chip-Pins 12 wird dieser hochgenau von einem Spannungsmessgerät der Testanordnung (nicht gezeigt) abgegriffen und daraus der exakte Temperaturwert ermittelt. Dabei können die Halbleiter-Schalter 17, 18 alternativ auch als Metalloptionen realisiert sein. Der Chip muss dann für die Temperaturmessung geeignet präpariert werden. Auf die Steuerschaltung und die Halbleiter-Schalter kann verzichtet werden. Es werden z. B. über Focussed Ion Beam-Technik die Me­ tall-Schalter zu Messzwecken kurzgeschlossen und die Tempera­ turmessung, wie oben beschrieben, durchgeführt. Falls jedoch gemäß Fig. 4 die Halbleiter-Schalter 17, 18 und die Steuer­ schaltung 19 auf dem Chip integriert sind, ist vorgesehen, dass der Stromschalter 17 und die Spannungsschalter 18 im Normalbetrieb, d. h., wenn keine Temperaturmessung erfolgen soll, geöffnet sind. Dadurch ist die Temperatur-Messanordnung von den Anschlusspaaren 11, 12 getrennt und eine am Pin 11 angeschlossene Adressleitung 20 und an die Pins 12 ange­ schlossene Input-/Outputleitungen 21 können ohne jede Be­ schränkung genutzt werden. Es können also erfindungsgemäß ausnahmslos alle Chip-Pins des Speicherbausteins 10 in be­ kannter Weise genutzt werden, wobei jedoch die Möglichkeit besteht, die zusätzlich auf dem Chip integrierte Temperatur- Messanordnung zu aktivieren bzw. an die entsprechenden Chi­ panschlüsse zu schalten und für Testzwecke eine genaue Chip- Temperaturmessung durchzuführen.

In Fig. 5 ist das Schaltbild des geringfügig abgewandelten zweiten Ausführungsbeispiels der Temperaturmessanordnung ge­ zeigt. Dabei dient als einer der Stromanschlüsse 11 ein Chip- internes Anschlusspad 22 und als der Stromschalter 17 ein ge­ eignet plazierter niederohmiger n-FET.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter- Chips, insbesondere eines Speicherchips, mit folgenden Verfahrensschritten: Einprägen eines definierten Stroms in ausgewählte Chipanschlüsse, wobei die sich dabei ein­ stellende Spannung zumindest teilweise durch eine zwi­ schen den ausgewählten Chipanschlüssen vorgesehene Halb­ leiter-Diodenstruktur (14) bestimmt wird; Ermitteln des sich dabei einstellenden Spannungswertes; Bestimmen der Temperatur des Chips anhand des ermittelten Spannungs- und Stromwertes, dadurch gekennzeichnet, dass der Span­ nungswert unmittelbar an der Diodenstruktur in Vierlei­ ter-Anschlusstechnik abgegriffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Spannungswertes für die Ermittlung der Chip-Temperatur auf dem Chip integrierte Schalter (17, 18) geschlossen werden, die nach Beendigung der Tempera­ turmessung wieder geöffnet werden, um die Dioden-Chip­ anschlüsse (11, 12) wieder für den normalen Betrieb des Chips (10) bereitzustellen.

3. Halbleiter-Chip, insbesondere Speicher-Chip, mit einem Gehäuse, mit Chipanschlüssen (11, 12), mit einer Dioden- Halbleiterstruktur (14), die über zwei Verbindungsleitun­ gen (13) zwischen zwei Chipanschlüsse (11) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenstruktur (14) über zwei Spannungsmeßleitungen (15) in Vierleiter-An­ schlusstechnik an zwei weitere Chipanschlüsse (12) ange­ schlossen ist.

4. Halbleiter-Chip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (13) und/oder in der Mess­ leitung (15) ein Schalter (17, 18) vorgesehen ist, der von einer auf dem Chip (10) integrierten Steuerschaltung (19) betätigbar ist.

5. Halbleiter-Chip nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als die vier Dioden-Chipanschlüsse vorhan­ dene Adress- und/oder Input/Output-Anschlüsse (11, 12) des Chips dienen.