Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung zu schaffen, mit welcher
die elektrische Stromaufnahme betreffende Betriebsparameter individuell
und gleichwohl besonders flexibel und verlässlich ohne großen Aufwand
bestimmt werden können.
Die Aufgabe wird bei Halbleiterschaltungsanordnung
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnungen
sind Gegenstand der abhängigen
Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungsanordnung
weist eine Schaltungseinrichtung, eine Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
zur Versorgung der Schaltungseinrichtung sowie eine Strommesseinrichtung
zur Messung der Stromaufnahme der Schaltungseinrichtung über die
Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung auf. Erfindungsgemäß sind die
Schaltungseinrichtung, die Strommesseinrichtung sowie mindestens
ein Teil der Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung in einem
gemeinsamen Halbleitermaterialbereich oder Chip integriert ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist
die jeweilige Strommesseinrichtung weiter jeweils mindestens eine
Hallsensoreinrichtung auf.
Es ist somit eine erste grundlegende
Idee der vorliegenden Erfindung, die Schaltungseinrichtung, die
Strommesseinrichtung sowie mindestens einen Teil der Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat oder Chip integriert auszubilden,
wodurch eine besonders kompakte Bauweise erzielt wird.
Es ist eine weitere grundlegende
Idee der vorliegenden Erfindung, dabei die individuelle Strommesseinrichtung
für die
Halbleiterschaltungsanordnungen mit mindestens einer Hallsensoreinrichtung auszubilden.
Dadurch kann die Aufnahme elektrischen Stroms durch die jeweilige
individuelle Halbleitereinrichtung unter weitestgehender Vermeidung oder
Verringerung einer direkten Beeinflussung der Messung ermittelt
wer den. Es lässt
sich somit über die
Hallsensoreinrichtung ein unverfälschtes
oder weniger stark verfälschtes
Messergebnis im Hinblick auf den von der individuellen Halbleiterschaltungsanordnung
aufgenommenen elektrischen Strom ermitteln.
Vorteilhafterweise ist die jeweilige
Hallsensoreinrichtung zum Messen eines in der jeweiligen Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung fließenden elektrischen
Stroms über
ein durch diesen Strom erzeugbares Magnetfeld ausgebildet.
Grundsätzlich kann erfindungsgemäß die Hallsensoreinrichtung
mit einem einzelnen Hallsensor ausgebildet sein, der dann für einen
bestimmten Messbereich im Hinblick auf das auf ihn auftreffende Magnetfeld
und somit im Hinblick auf den durch die jeweilige zugeordnete Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
fließenden
elektrischen Strom ausgebildet ist.
Unter Umstaänden besitzen Hallsensoren aber
einen vergleichsweise engen Messbereich. Deshalb ist es von besonderem
Vorteil, wenn eine Mehrzahl von Hallsensoren vorgesehen ist, wobei eine
Mehrzahl höchstens
zum Teil sich überdeckender
Messbereiche ausgebildet wird, so dass, insgesamt gesehen, der durch
eine zugeordnete individuelle Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
fließende
elektrische Strom besonders verlässlich über einen
breiten Wertebereich hinweg detektiert werden kann.
Zur weiteren Verbesserung der Messbereichscharakteristika
und zur Verbesserung der Empfindlichkeit der jeweiligen Hallsensoren
ist für
die Hallsensoreinrichtung oder für
jeden Hall sensor eine Magnetfeldbündelungseinrichtung ausgebildet
und vorgesehen, welche jeweils zur Bündelung des durch Stromfluss
in der zugeordneten Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
entstehenden Magnetfeldes auf die Hallsensoreinrichtung bzw. auf
den jeweiligen Hallsensor ausgebildet ist.
Dies kann zum Beispiel dadurch realisiert werden,
dass als Magnetfeldbündelungseinrichtung jeweils
ein weichmagnetisches Material vorgesehen wird. Dieses kann zum
Beispiel aus Ferrit oder dergleichen bestehen.
Ferner ist es vorgesehen, dass die
Magnetfeldbündelungseinrichtung
den Querschnitt der jeweiligen zugeordneten und individuellen Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung an
zumindest einer Stelle im Wesentlichen umschließt. Damit wird erreicht, dass
ein Großteil
der durch die Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung erzeugten
Magnetfeldlinien und also der magnetische Fluss die durch das Umschließen durch
die Magnetfeldbündelungseinrichtung
gebildete Fläche durchmessen.
Weiterhin ist es zur Bündelung
vorgesehen, dass die Magnetfeldbündelungseinrichtung
einen Spalt aufweist und dass die Hallsensoreinrichtung oder der
jeweilige zugeordnete Hallsensor im Bereich des Spalts angeordnet
ist.
Hallsensoren können im direkten Magnetfeldmessbetrieb
eingesetzt werden, bei welchem durch die aufgrund der wirkenden
Lorenzkräfte
erzeugte Hallspannung die Magnetfeldstärke oder magnetische Flussdichte
bzw. der entsprechende Stromfluss direkt ermittelt werden. Es bietet
sich aber eine indirekte Technik genau dann an, wenn eine höhere Genauigkeit
erzielt werden soll. Diese indirekte Technik kann zum Beispiel im
Rahmen eines so genannten Kompensationsverfahrens durchgeführt werden,
wobei dann die Hallsensoreinrichtung jeweils als Kompensationsstromwandler
oder als Closed-Loop-Hall-Transducer
ausgebildet ist. Dabei wird durch eine zusätzliche Einrichtung in der
Hallsensoreinrichtung ein Magnetfeld erzeugt, welches die Flussdichte
des eigentlich zu messenden Feldes am Ort des Hallsensors möglichst
genau kompensiert. Auf der Grundlage einer entsprechenden Eichung
und Kalibrierung kann dann z.B. der Stromfluss, welcher zur Kompensation
notwendig ist, als Maß für das eigentlich
zu messende Magnetfeld und somit als Maß für den eigentlich zu messenden Strom
in der zugeordneten individuellen Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung herangezogen
werden.
Dazu ist es insbesondere vorgesehen,
dass eine Magnetfeldkompensationseinrichtung ausgebildet ist, insbesondere
im Bereich der Magnetfeldbündelungseinrichtung,
und weiter vorzugsweise um das weichmagnetische Material herum.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen,
dass die Hallsensoreinrichtung in einem Halbleitermaterial, insbesondere
in Silizium ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine besonders ungestörte und
direkte Beaufschlagung der Hallsensoreinrichtung mit einem extern
angelegten Magnetfeld.
Ferner ist es bei einer anderen Alternative der
vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass eine Kompensationseinrichtung
ausgebildet ist, welche zum Ausgleichen eines im Betrieb über die
Hallsensoreinrichtung auftretenden Spannungsabfalls der Betriebsspannung
VDD ausgebildet ist. Dadurch kann eine Messung
während
des normalen Betriebs der Halbleiterschaltungsanordnung stattfinden,
ohne dass die Betriebsparameter durch den Messprozess maßgeblich
beeinflusst werden.
Bei einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen integrierten
Halbleiterschaltungsanordnung ist diese zur externen Messung der
Hallspannung der Hallsensoreinrichtung und damit zur externen Messung
des durch die Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung fließenden Stroms
ausgebildet. Ferner ist dabei insbesondere vorgesehen, dass zwei
Ausgabeanschlüsse
zum Abgriff dieser Hallspannung ausgebildet sind. Nach Abgriff der
Hallspannung oder der Hallspannungen über die Ausgabeanschlüsse können diese
extern weiter verarbeitet und ausgewertet werden.
Alternativ oder zusätzlich ist
es vorgesehen, dass die integrierte Halbleiterschaltungsanordnung zur
internen Messung einer Hallspannung der Hallsensoreinrichtung und
damit zur internen Messung des durch die Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
fließenden
Stroms ausgebildet ist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn zur internen Strommessung oder Hallspannungsmessung ein Vergleichsspannungsanschluss
ausgebildet ist, welcher dem Empfang einer extern zuführbaren oder
zugeführten
Vergleichsspannung dient. Ferner ist dabei eine Vergleichseinrichtung
ausgebildet, welcher die Vergleichsspannung des Vergleichsspannungsanschlusses
sowie die Hallspannung der Hallsensoreinrichtung zuführbar sind
und welche zum Vergleichen der Hallspannung mit der Vergleichs- Spannung ausgebildet
ist. Über
eine derartige Vergleichsoperation lässt sich somit feststellen, ob
die intern sich aufbauende Hallspannung des Hallsensors mit der
extern zugeführten
Vergleichsspannung übereinstimmt,
in welchem Fall dann Rückschlüsse gezogen
werden können
auf den tatsächlichen
Wert des durch die Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
fließenden
Stroms.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der erfindungsgemäß integrierten
Halbleiterschaltungsanordnung ist es von Vorteil, dass ein Register
vorgesehen ist, in welchem für
den in der Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung fließenden elektrischen
Strom repräsentative
Daten oder Signale auslesbar speicherbar sind.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen,
dass mindestens ein Ein-/Ausgabeanschluss ausgebildet ist, welcher
zum schreibenden und/oder lesenden Zugriff auf das Register ausgebildet
und vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders
direkte und einfache Kommunikation mit der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung
während eines
ausgeführten
Tests.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung
ergeben sich auch aufgrund der nachfolgend ausgeführten weiteren
Erläuterungen:
Testkosten
spielen bei der Fertigung von Halbleiterschaltkreisen, z. B. von
DRAMs, eine immer größere Rolle.
Es sind daher neue Konzepte erforderlich, um die Parallelität beim Testen
zu erhöhen
bzw. die Anforderungen an den externen Tester zu reduzieren, um
auf diese Weise die Kosten zu reduzieren. Ein Ansatz in diese Richtung
ist der sog. Selbsttest (BIST = Build In Selftest), bei dem der
Test durch geeignete Zusatzschaltungen auf dem zu testenden Chip
selbst durchgeführt
wird.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Methode erlaubt
es, den Versorgungsstrom ICC auf dem Chip selbst zu messen. Externe
Messgeräte
sind nicht erforderlich. Die vorgeschlagene Metho-Datenelement liefert
so eine Lösung
für das
bisher bestehende Problem, dass zwar die logische Funktionalität durch
einen BIST abgetestet werden kann, für die Strommessungen aber nach
wie vor externes Messgerät
erforderlich sit.
Strom wird bisher extern mit einer
so genannten DC-Measurement-Unit gemessen. Dazu ist ein entsprechend
ausgestatteter Tester erforderlich, der beim Paralleltest für jeden
zu testenden Chip eine separate Messeinheit und eine individuelle
Versorgungsspannungszuleitung benötigt. Es kann also nicht eine
gemeinsame Spannungsversorgung für mehrere
parallel getestete Chips genutzt werden, was auch den Verdrahtungsaufwand
des Loadboards (PCB, das als Interface zwischen Tester und Baustein
dient) erhöht.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen,
das den Verbrauchsstrom auf dem Chip messen kann. Es gelten Vorteile
einer parallelen On-Chip-Messung gegenüber der immer noch verwendeten
Methode der externen Messung mit einem Strommessgerät:
- – Es
kann ein Verbrauchsstrom auf dem Chip ohne externes Messgerät durchgeführt werden.
- – Es
kann während
des Tests eine gemeinsame Spannungsquelle für mehrere parallel getestete Chips
verwendet werden.
- – Testzeiten
können
verkürzt
werden, da der Strom auf allen Chips gleichzeitig gemessen werden
kann.
Es wird hier eine weitere Messmethode, nämlich die
On-Chip-Strommessung
mittels einer Hall-Sonde vorgeschlagen. Weitere Vorteile sind dabei:
- – eine
einfachere Implementierung auf dem Chip,
- – eine
verbesserte Prozessunabhängigkeit
der Strommessung und
- – ein
geringerer Einfluss der Schaltung auf die normale Chip-Funktionalität.
Eine Kernidee besteht in der Implementierung
einer Hall-Sonde auf dem Chip zur Messung der Stromaufnahme (ICC-Messung).
1 unten
zeigt die Schaltung für
die On-Chip-Strommessung mit Hilfe einer Hall-Sonde. Der gesamte
Strom, der über
ein oder mehrere Versorgungsspannungsanschlüsse (VDD-Pads) in die Chip-Schaltung
fließt,
wird über
eine Hall-Struktur geleitet. Diese Struktur wird vorzugsweise im
Silizium ausgeführt,
da hier die Elektronendichte niedrig und somit das benötigte Magnetfeld
klein und das Messsignal groß ist.
Einem möglichen Spannungsabfall über die Hallstruktur
kann begegnet werden, indem das extern angelegte VDD entsprechend
erhöht
wird. Verfügt
der Chip intern über
ein geregeltes Spannungsnetz, so sollte der Messpunkt für den Spannungsreg ler
vorteilhafterweise auf der Ausgangsseite der Hall-Sonde liegen,
so dass mögliche
Spannungsabfälle
automatisch korrigiert werden.
Um den parasitären Widerstand der Hall-Sonde
im Normalbetrieb zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, für die Messung
ein spezielles VDD-Pad vorzusehen, das ausschließlich bei der Strom-Messung
zum Anlegen der Versorgungsspannung genutzt wird. Während der
Messung können dann
alle anderen VDD-Anschlüsse extern
hochohmig geschaltet werden, womit auch sichergestellt ist, dass
der gesamte Strom über
die Hall-Sonde fließt. In der
Praxis bedeutet eine so durchgeführte
Verringerung der VDD-Anschlüsse
allerdings, dass der Strom nur für
Betriebszustände
gemessen werden kann, bei denen die Stromergiebigkeit dieses speziellen
Testanschlusses nicht überschritten
wird.
Die Ausgangspads P1 und P2 sind die
Messanschlüsse
der Hall-Struktur.
Ein über
den Wafer homogenes Magnetfeld wird extern angelegt. Damit kann
an den Anschlüssen
P1/P2 eine zum Strom durch die Sonde proportionale Hallspannung
gemessen werden:
mit der Ladungsträgerkonzentration
n, der Schichtdicke d, Magnetfeld B, Strom ICC, Hallspannung U
H.
Diese Spannungsmessung kann auch chip-intern
erfolgen. Dazu wird von außen
eine Vergleichsspannung eingeprägt.
Diese wird mit einem on-Chip-Differenzverstärker mit der Spannung am Messanschluss
verglichen. Die extern eingeprägte Spannung
wird nun über
einen bestimmten Messbereich durchgesteppt. Chip-intern wird gespeichert, bei
welcher extern angelegten Spannung der Differenzverstärker einen Übergang
von 0 nach 1 detektiert. Das wird unten in 2 beschrieben. An einem Pin Vin wird
die Vergleichsspannung eingeprägt.
Die Spannungen der Messanschlüsse
werden getrennt in den Differenzverstärkern mit der eingeprägten Spannung
verglichen. Im vorliegenden Beispiel wird mit Hilfe eines internen, über einen
seriellen Command-Pin SI beschreibbares, Register gespeichert, welche
Referenzspannung aktuell außen
an den Chip angelegt wird. Um die Strommessung parallel durchführen zu
können,
soll das Register so ausgeführt
sein, dass die über
SI eingegebenen Werte maskiert werden, sobald die interne Hallspannunq mit
der externen Referenzspannung übereinstimmt. Dieser
Wert kann dann zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt über den
seriellen Ausgang SO ausgelesen werden. Da das Register lediglich
als Referenz dient, um nachträglich
für jeden
Chip individuell zu ermitteln, bei welcher Referenzspannung der
Diff Amp die Übereinstimmung
mit UH angezeigt hat, kann alternativ auch
ein Counter verwendet werden, der bei jeder Referenzspannungsänderung
Vin solange inkrementiert wird, bis die Gleichheitsbedingung erfüllt ist. Über die
im Prüfprogramm
festgelegten und daher bekannten Spannungsstufen von Vin kann dann UH bzw. ICC bestimmt werden.
Möglicherweise
wird die Spannung VDD über
mehr als ein Chip-Pad
eingeprägt.
Für diesen Fall
muss zuerst ein Knoten geschaffen werden, über den der gesamte Strom ICC
fließt.
Das kann über
ein zusätzliches
Pad realisiert werden. Für
die Messung werden die VDD-Pads von der Spannungsversorgung ge trennt.
Nur über
das Messpad 2 wird nun VDD eingeprägt. Für die Messung kann VDD auch etwas
höher eingeprägt werden
als im Betrieb, falls die Messschaltung einen signifikanten Spannungsverlust
erzeugt.
Um eine hinreichende Messgenauigkeit
zu gewährleisten,
sollte zumindest für
jedes Los (z. B. 25 Wafer, die gemeinsam prozessiert wurden) einmal die
Messung anhand einer analogen Strommessung geeicht werden.
Ein Wafer, der viele Chips (DUTs
= Device under Test) enthält,
wird zur Messung einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt.
Nachfolgend wird die vorliegende
Erfindung weiter auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen
näher erläutert, welche
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung repräsentieren.
1, 2 zeigen zwei bevorzugte
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung.
Nachfolgend werden Elemente und Komponenten,
welche ähnliche
Funktionen und Strukturen besitzen, durch dieselben Bezugszeichen
bezeichnet, ohne dass in jedem Fall ihres Auftretens eine detaillierte
Beschreibung erfolgt oder wiederholt wird. Synonym werden die Begriffe
Halbleiterschaltungsanordnung 10 und Halbleitereinrichtung 10 verwendet.
1 zeigt
in Form eines schematischen Blockdiagramms den grundsätzlichen
Aufbau der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung 10.
Die zu testende Halbleiterschaltungsanord nung 10 ist dabei
auf einer eigenen Testplatine angeordnet und über hier nicht dargestellte
Bussysteme mit einer Anordnung zum Testen der Halbleiterschaltungsanordnung 10 steuerbar
verbunden. Dabei findet die Ankopplung an eine gemeinsame Strom-/Spannungsversorgungseinheit
in paralleler Art und Weise über
eine Hauptversorgungsleitungen statt, welche zu einem Versorgungsanschluss
PumpenverkippungDD führt. Zur Messung der Stromaufnahme
der zu testenden Halbleiterschaltungsanordnungen 10 während des
Betriebs oder während
eines Tests ist in der Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung
40 eine Strommesseinrichtung 50 in Form einer Hallsensoreinrichtung 60 vorgesehen.
Im Betrieb wird die Anordnung 10 in ein externes Magnetfeld
B eingebracht. Die quer zur Stromflussrichtung im Hallsensor 60 entstehende
Hallspannung kann dann über
Anschlüsse
P1 und P2 extern abgegriffen werden.
Während
bei der Ausführungsform
der 1 eine externe Messung
des durch die Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung 40 fließenden Stroms
erfolgt, und zwar durch externen Abgriff der Hallspannung an den
Anschlüssen
P1 und P2, zeigt 2 eine
Ausführungsform,
bei welcher eine chipinterne Strommessung erfolgt.
Der grundlegende Aufbau der Anordnung der 2 ist mit dem der 1 identisch mit folgenden
Unterschieden: Es wird von extern über einen Vergleichsspannungsanschluss
PVin eine Vergleichsspannung Vin an die integrierte Halbleiterschaltungsanordnung 10 angelegt.
Ferner wird die Hallspannung nicht über Anschlüsse nach außen geführt, sondern zusammen mit der
Vergleichsspannung einem in der integrierten Halblei terschaltungsanordnung
vorgesehenen Vergleichsbaustein C oder einer Vergleichseinrichtung
C zugeführt.
Deren Vergleichsergebnis wird einem ebenfalls bei der erfindungsgemäß Halbleiterschaltungsanordnung
vorgesehenen internen Register zugeführt und dort gespeichert, um
dann später über einen
seriellen Ausgangsanschluss SO ausgelesen zu werden. Insgesamt gesehen
erfolgt die Kommunikation zusätzlich auch über einen
seriellen Eingangsanschluss SI. Beim Testen, d. h. beim Messen des
Stroms, welcher in der Strom/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung 40 fließt, kann
also zum Beispiel über
den Vergleichsspannungsanschluss PVin ein Bereich von Vergleichsspannungen
in gerasterter Form angelegt werden. Über den seriellen Eingangsanschluss
SI wird dann der jeweilige Wert in das interne Register R eingeschrieben.
Es wird aber nur derjenige Spannungswert im internen Register R
gespeichert, bei welchem die Vergleichseinrichtung C im Hinblick
auf ihre Ausgangssignale einen Nulldurchgang zeigt, wodurch ermittelt
wird, dass die dann gerade anliegende aktuelle Vergleichsspannung
der im Hallsensor 60 erzeugten Hallspannung entspricht. Über ein
Auslesen des jeweilig gespeicherten Spannungswerts im Register R über den
seriellen Ausgangsanschluss SO kann dann auf den jeweiligen Stromfluss
in der Strom-/Spannungsversorgungsleitungseinrichtung 40 zurückgeschlossen
werden.
