DE10011179B4

DE10011179B4 - Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter-Chips und Halbleiter-Chip mit Temperaturmessanordnung

Info

Publication number: DE10011179B4
Application number: DE10011179A
Authority: DE
Inventors: Peter Beer; Manfred Dobler; Gunnar Krause
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: DE10011179A1; US6612738B2; US20010026576A1

Abstract

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 einstellende Spannung zumindest teilweise durch eine zwischen den ausgewählten Chipanschlüssen vorgesehene Halbleiter-Diodenstruktur (14) bestimmt wird; Ermitteln des sich dabei einstellenden Spannungswertes; Bestimmen der Temperatur des Chips anhand des ermittelten Spannungs- und Stromwertes, wobei der Spannungswert unmittelbar an der Diodenstruktur in Vierleiter-Anschlusstechnik abgegriffen wird, und zur Messung des Spannungswertes für die Ermittlung der Chip-Temperatur auf dem Chip integrierte Schalter (17, 18) geschlossen werden, die nach Beendigung der Temperaturmessung wieder geöffnet werden, um die Dioden-Chipanschlüsse (11, 12) wieder für den normalen Betrieb des Chips (10) bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter-Chips sowie einen Halbleiter-Chip mit einer Temperaturmessanordnung.
Im Zuge der fortschreitenden Steigerung der Speicherdichte werden die Chipflächen immer kleiner und die Betriebsfrequenzen immer höher. Dadurch steigt die ins Halbleitermaterial eingebrachte Energiedichte. Es entsteht beim Betrieb des Chips, beispielsweise eines DRAMs oder SDRAMs, eine nicht unerhebliche Verlustleistung. Diese bewirkt, dass die Chips sich auf eine Temperatur aufheizen, die erheblich höher sein kann als die Umgebungstemperatur. Das Verhalten des Speicherbausteins wird durch zu hohe Temperaturen jedoch negativ beeinflusst. Die quantitative Kenntnis der Halbleiterchip-Temperatur ist deshalb aus verschiedenen Gründen von Interesse. Es besteht daher ein Bedarf an deren Ermittlung. Dies gestaltet sich allerdings bei Verwendung von herkömmlichen Verfahren zur Temperaturmessung, d.h. bei Temperaturmessungen mit Hilfe von Temperaturfühlern erkennbar als kompliziert, und zwar insbesondere dann, wenn die Messung an einem im bestimmungsgemäßen 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 (1) bekannt, wobei folgende Verfahrens-Schritte vorgesehen sind Beaufschlagen ausgewählter Chip-Anschlüsse E, V1, V2 mit derart gepolten und bemessenen Spannungen oder Einprägen derart gepolter oder bemessener Ströme in dieselben, dass der sich dabei einstellende Stromfluß und/oder die sich dabei einstellende 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 ermittelten Spannungs- und Stromwerte unter Verwendung einer zuvor für den zu untersuchenden Halbleiter-Chip H oder Halbleiter-Chip-Typ ermittelten Strom/Spannungs-Temperatur-Zuordnung. 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 Temperatur der Diode bzw. deren pn-Überganges abhängt. Diese Abhängigkeit ermöglicht es, aus der an der ausgewählten Diode anliegenden Spannung und dem durch diese fließenden Strom deren Temperatur genau zu bestimmen. Die zur Messung herangezogenen Dioden müssen nicht extra für diesen Zweck vorgesehene Dioden sein, sondern können auch ohnehin auf dem Halbleiter-Chip vorhandene Dioden sein. Derartige Dioden sind beispielsweise Überspannungsschutzdioden oder Verpolschutzdioden. Als die Temperatur-Messdioden können alternativ oder zusätzlich auch als solche wirkende Strukturen verwendet werden; derartige Strukturen entstehen automatisch, wenn das Halbleiter-Chip-Substrat mit anders dotierten Wannen versehen ist.

Zur Kalibrierung der auf dem Chip integrierten Temperaturmessanordnung muss der zu untersuchende Chip oder Chip-Typ vorab hinsichtlich der bei verschiedenen Chip-Temperaturen fließenden Ströme bzw. der sich einstellenden Spannungen charakterisiert werden. Dazu werden beispielsweise Messungen von sich einstellenden Strömen oder Spannungen an einem von aussen aufeinanderfolgend auf vorbestimmte Temperaturen aufgeheizten Halbleiter-Chip durchgeführt. Der zu charakterisierende 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 Eingangssignalanschluß 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 Temperaturen, 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 Temperaturmessung im Halbleiter-Chip erzeugte Verlustleistung möglichst 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. die sich einstellende Spannung durch die leitend gewordene Diode bestimmt wird. Die sich dabei einstellenden Spannungs- und Stromwerte werden, wie oben beschrieben, zur Temperaturbestimmung herangezogen. Als Eingangssignalanschluß E wird vorzugsweise 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 unterbrechen 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 auftretende Übergangswiderstände nicht zu vernachlässigen. Um sie nicht mitzumessen, empfiehlt sich die in 2 skizzierte Vierleiter-Anschlusstechnik. Hierbei sind die Klemmen 1 und 2 der Stromzuführung von denen der Messleitung (Potentialklemmen) 3 und 4 getrennt. Die möglichen Spannungsabfälle an den Anschlusspunkten 1 und 2 werden nicht gemessen. Die Übergangswiderstände 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.

Aus der Patentschrift US 5,869,878 ist eine Halbleiteranordnung mit einer Diode als Temperaturmesseinrichtung bekannt. Die Diode ist thermisch an die Halbleiteranordnung angekoppelt. Die Diode wird mit Spannung versorgt und der über die Diode erfolgende Spannungsabfall wird zur Messung der Temperatur verwendet. Dazu wird der gemessene Spannungsabfall über die Diode mit einer Referenzspannung verglichen und ein Ausgangssignal aus der Differenz ermittelt. Das Ausgangssignal zeigt die Temperatur des Halbleiterbauelementes an.

Aus DE 43 24 982 A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung einer Sperrschichttemperatur eines Thyristors bekannt. Dabei wird ein Messstrom in den Gate-Kreis des Thyristors eingeprägt und nach Abklingen von transienten Abschaltvorgängen bei einem anliegenden Messstrom die Spannung zwischen Kathode und Gate gemessen. Die Spannung ist zu diesem Zeitpunkt abhängig von der Sperrschichttemperatur des Thyristors. Damit ist es möglich, die Sperrschichttem peratur direkt am Element und während des Betriebes laufend zu Messen. Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Einschaltkreis und ein Ausschaltkreis vorgesehen, wobei der Einschaltkreis für das Zünden des Thyristors und der Ausschaltkreis für das Abschalten des Thyristors verwendet wird. Weiterhin ist eine Messvorrichtung vorgesehen, die parallel zum Ein- und Ausschaltkreis geschaltet ist und im wesentlichen eine Stromquelle, eine Vorrichtung zur Messung der Kathoden-Gate-Spannung sowie eine Speisespannungsquelle zur Spannungsversorgung der Stromquelle aufweist. Mit der Vorrichtung ist es möglich, den Messstrom einzuprägen und gleichzeitig die Spannung zwischen Kathode und Gate des Thyristors zu Messen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmessung an einem Halbleiter-Chip in Vierleiter-Anschlusstechnik in einer kompakten Bauweise zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und bei einem Halbleiter-Chip mit den Merkmalen des Patentanspruches 2 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 hervorgerufenen 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 werden.

In den Verbindungsleitungen und/oder in den Messleitungen der Temperatur-Messschaltung sind Halbleiterschalter auf dem Chip vorgesehen, die beispielsweise von einer auf dem Chip integrierten Steuerschaltung betätigbar sind. Zur Einspeisung des Messstromes sowie zur Messung des Spannungswertes mittels einer externen Testanordnung für die Ermittlung der Chip-Temperatur im Active-Betrieb wird zunächst die Chipeigene 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 können diese Schalter wieder geöffnet werden, um die Messanschlüsse wieder für den normalen Gebrauch des Chips bereitstellen 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 Input/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 Nutzungsbeschränkung als Adress- und Input/Output-Anschlüsse genutzt werden, während sie im Testbetrieb vorübergehend als Messanschlüsse zur Temperaturmessung dienen. Als Chipanschlüsse können auch Chip-interne Anschluss-Pads oder feste Spannungspotentiale dienen.

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

1 schematisch die Anordnung von Überspannungsschutzdioden oder als solche wirkende Strukturen in einem Halbleiter-Chip gemäß dem Stand der Technik,

2 ein Schaltbild zur Messung sehr niedriger ohmscher Widerstände in Vierleiter-Technik gemäß dem Stand der Technik,

3 schematisch den erfindungsgemäßen Halbleiter-Chip,

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

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

Gemäß 3 weist ein Halbleiter-Speicherbaustein, beispielsweise ein DRAM, einen gehäusten Halbleiter-Chip 10 mit zahlreichen Chipanschlüssen bzw. Pins auf. Insbesondere sind in bekannter Weise unter anderem zahlreiche Adress- und Input-/Output-Pins vorgesehen. Für die integrierte Temperaturmessanordnung 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 Halbleiterstruktur mit den Pins 11 leitend verbunden. Über zwei Messleitungen 15 ist die Messdiode 14 oder die entsprechend geeignete Halbleiterstruktur mit den Pins 12 leitend verbunden. Dabei ist zu beachten, dass die Spanungsmessung um so genauer ist, um so räumlich enger die beiden Messleitungen 15 entsprechend der oben beschriebenen Vierleiter-Anschlusstechnik an die temperaturabhängige Halbleiterstruktur des pn-Überganges bzw. der Messdiode 14 angeschlossen sind. Zur Temperaturbestimmung des Chips 10 wird über das erste Chipanschlusspaar 11 ein bekannter Strom I, beispielsweise von einer nicht gezeigten externen Messanordnung, in Durchlassrichtung in die Messdiode 14 eingespeist und die sich dabei entsprechend der Temperatur der Messdiode 14 bzw. des Halbleiter-Chips 10 am pn-Übergang einstellende Messspannung U am zweiten Chipanschlusspaar 12 gemessen (3). Die Temperaturmessung kann dabei sowohl am gehäusten einzelnen Chip als auch vorab an jedem beliebigen Chip auf dem Wafer erfolgen.

In 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 3 übernommen werden. Die integrierte Messdiode 14 ist über die Verbindungsleitungen 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 Verbindungsleitung 13 zwischen dem Pin 11 und der Messdiode 14 ein niederohmiger p-FET im Strompfad als Stromschalter 17 angeordnet. Die Messleitungen 15 sind räumlich möglichst dicht an der temperaturabhängigen Diodenstruktur 14 angeschlossen. Dadurch ist sichergestellt, daß der zwischen den Spannungsanschlusspunkten der Verbindungsleitung 13 und der Messdiode 14 auftretende parasitäre Widerstand ausreichend gering ist. Zudem 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 aufgrund der Vierleiter-Messtechnik ohnehin bedeutungslos. Die parasitären Widerstände 16 der Spannungs-Messleitungen 15 verursachen einen vernachlässigbaren Fehler, da an die Spannungsmessungs-Pins 12 ein hochohmiges Spannungsmessgerät angeschlossen 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 integrierte 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 Betriebsbedingungen in bekannten Testroutinen betrieben Dabei wird der Chip durch im Betrieb entstehende Verlustleistung erwärmt und gegebenenfalls werden ausgewählte Umgebungstemperaturen für den Chip eingestellt. Um die sich dabei einstellende 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 Temperatur-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 Messdiode 14 einen von der Messdioden-Temperatur abhängigen Spannungsabfall. 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 Metall-Schalter zu Messzwecken kurzgeschlossen und die Temperaturmessung, wie oben beschrieben, durchgeführt. Falls jedoch gemäß 4 die Halbleiter-Schalter 17, 18 und die Steuerschaltung 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 angeschlossene Input-/Outputleitungen 21 können ohne jede Beschränkung genutzt werden. Es können also erfindungsgemäß ausnahmslos alle Chip-Pins des Speicherbausteins 10 in bekannter Weise genutzt werden, wobei jedoch die Möglichkeit besteht, die zusätzlich auf dem Chip integrierte Temperatur- Messanordnung zu aktivieren bzw. an die entsprechenden Chipanschlüsse zu schalten und für Testzwecke eine genaue Chip-Temperaturmessung durchzuführen.

In 5 ist das Schaltbild des geringfügig abgewandelten zweiten Ausführungsbeispiels der Temperaturmessanordnung gezeigt. Dabei dient als einer der Stromanschlüsse 11 ein Chipinternes Anschlusspad 22 und als der Stromschalter 17 ein geeignet plazierter niederohmiger n-FET.

Claims

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 einstellende Spannung zumindest teilweise durch eine zwischen den ausgewählten Chipanschlüssen vorgesehene Halbleiter-Diodenstruktur (14) bestimmt wird; Ermitteln des sich dabei einstellenden Spannungswertes; Bestimmen der Temperatur des Chips anhand des ermittelten Spannungs- und Stromwertes, wobei der Spannungswert unmittelbar an der Diodenstruktur in Vierleiter-Anschlusstechnik abgegriffen wird, und zur Messung des Spannungswertes für die Ermittlung der Chip-Temperatur auf dem Chip integrierte Schalter (17, 18) geschlossen werden, die nach Beendigung der Temperaturmessung wieder geöffnet werden, um die Dioden-Chipanschlüsse (11, 12) wieder für den normalen Betrieb des Chips (10) bereitzustellen.
Halbleiter-Chip, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Gehäuse, mit Chipanschlüssen (11, 12), mit einer Dioden-Halbleiterstruktur (14), die über zwei Verbindungsleitungen (13) auf dem Halbleiter-Chip zwischen zwei Chipanschlüsse (11) geschaltet ist, wobei die Diodenstruktur (14) über zwei Spannungsmessleitungen (15) in Vierleiter-Anschlusstechnik an zwei weitere Chipanschlüsse (12) angeschlossen ist, und in der Verbindungsleitung (13) und/oder in der Messleitung (15) ein Schalter (17, 18) vorgesehen ist, der von einer auf dem Chip (10) integrierten Steuerschaltung (19) betätigbar ist.
Halbleiter-Chip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die vier Dioden-Chipanschlüsse vorhandene Adress- und/oder Input/Output-Anschlüsse (11, 12) des Chips dienen.