DE19652046A1 - Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter-Chips - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, d. h. ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter-Chips.

Beim Betrieb von (integrierte Schaltungen enthaltenden) Halb­ leiter-Chips entsteht bekanntermaßen eine nicht unerhebliche Verlustleistung, die bewirkt, daß die Halbleiter-Chips sich auf eine Temperatur aufheizen, die erheblich hoher ist als die Umgebungstemperatur.

Die quantitative Kenntnis der Halbleiter-Chip-Temperatur kann aus verschiedensten Gründen von Interesse sein. Es besteht daher ein Bedarf an deren Ermittlung.

Dies gestaltet sich allerdings bei Verwendung von herkömm­ lichen Verfahren zur Temperaturmessung, d. h. bei Temperatur­ messungen mit Hilfe von Thermometern oder ähnlichen Tempera­ turfühlern erkennbar als relativ kompliziert oder gänzlich unmöglich, und zwar insbesondere dann, wenn die Messung an einem im bestimmungsgemäßen Einsatz befindlichen, d. h. in einem Gehäuse untergebrachten und in einer bestimmten Schal­ tung betriebenen Halbleiter-Chip durchgeführt werden soll.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 beanspruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist die Ausführung der folgenden Schritte vorgesehen:
Beaufschlagen ausgewählter Halbleiter-Chip-Anschlüsse 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 Halbleiter-Chip-Anschlüssen vorgesehene Diode 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 oder Halb­ leiter-Chip-Typ ermittelten Strom/Spannungs-Temperatur-Zuord­ nung.

Die zur Temperaturmessung benötigten Dioden bzw. die als sol­ che wirkenden Strukturen sind in Form von Überspannungs­ schutzdioden oder Verpolschutzdioden häufig von Haus aus im zu untersuchenden Halbleiter-Chip vorgesehen. In Fällen, wo dies nicht der Fall ist, läßt sich dies mit einem relativ ge­ ringen Zusatzaufwand ändern.

Die Temperaturmessung über im zu untersuchenden Halb­ leiter-Chip selbst vorgesehene Bauelemente ermöglicht hochgenaue Temperaturmessungen von in beliebigen Gehäusen untergebrach­ ten und in beliebigen Einbaulagen eingebauten Halb­ leiter-Chips, und zwar teilweise selbst während des normalen Be­ triebs desselben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es daher, die zu ermittelnde Halbleiter-Chip-Temperatur einfach und mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch die Anordnung von Überspannungsschutz­ dioden oder als solche wirkenden Strukturen in einem Halbleiter-Chip,

Fig. 2 schematisch die Anordnung einer Verpolschutzdiode oder einer als solche wirkenden Struktur in einem Halbleiter-Chip,

Fig. 3 die praktische Realisierung der Verpolschutzdiode gemäß Fig. 2 durch einen Bipolartransistor, und

Fig. 4 die praktische Realisierung des Bipolartransistors gemäß Fig. 3 in einer integrierten Schaltung.

Bei dem im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfah­ ren zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiter-Chips wird der Effekt ausgenutzt, daß der durch eine Diode fließende Strom (bei fest eingestellter Spannung) bzw. die sich an die­ ser einstellende Spannung (bei eingeprägtem Strom) von der Temperatur der Diode abhängt. Diese qualitativ und quantita­ tiv reproduzierbare Abhängigkeit ermöglicht es, aus der an der ausgewählten Diode anliegenden Spannung und dem durch diese fließenden Strom deren Temperatur zu bestimmen.

Die zur Messung herangezogene Diode ist vorzugsweise in dem zu untersuchenden Halbleiter-Chip selbst integriert. Dies hat den Vorteil, daß aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Halbleiter-Chip-Substrats die durch das Verfahren ermittel­ bare Dioden-Temperatur identisch mit der eigentlich interes­ sierenden Halbleiter-Chip-Temperatur ist; dies gilt mit hin­ reichender Genauigkeit sogar für Temperaturschwankungen, so­ fern diese nicht zu abrupt erfolgen.

Die zur Messung heranziehbaren Dioden sind derart innerhalb des Halbleiter-Chips angeordnet, daß diese jeweils zwischen zwei Halbleiter-Chip-Anschlüssen vorgesehen sind. Die besag­ ten Halbleiter-Chip Anschlüsse müssen nicht ausschließlich und unmittelbar über die jeweilige Diode miteinander verbun­ den sein; die Dioden können auch in Reihe mit oder parallel zu weiteren Schaltungsbestandteilen des Halbleiter-Chips an­ geordnet sein. Entscheidend für die Anordnung der Dioden ist in erster Linie, daß diese zumindest so angeordnet sind, daß der beim Anlegen einer bestimmten Spannung an ausgewählte Halbleiter-Chip-Anschlüsse fließende Strom oder die sich beim Einprägen eines bestimmten Stroms einstellende Spannung zu­ mindest teilweise durch die zur Messung herangezogene Diode bestimmt wird.

Die zur Messung herangezogenen Dioden müssen nicht separat für diesen Zweck vorgesehene Dioden sein, sondern sind vor­ zugsweise von Haus aus im Halbleiter-Chip integrierte Dioden. Derartige Dioden sind beispielsweise Überspannungsschutz­ dioden oder Verpolschutzdioden. Als die besagten Dioden kön­ nen alternativ oder zusätzlich auch als solche wirkende Strukturen verwendet werden; derartige Strukturen entstehen automatisch, wenn das Halbleiter-Chip-Substrat mit anders do­ tierten Wannen versehen ist.

Die besagten Überspannungsschutzdioden bzw. die als solche wirkenden Strukturen dienen, wie die Bezeichnung schon an­ deutet und wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 erläutert wird, zum Schutz des Halbleiter-Chips vor Über­ spannungen. Sie repräsentieren sogenannte ESD-Schutzstruktu­ ren, wobei "ESD" die Abkürzung für electrostatic discharge ist.

Ein mit Überspannungsschutzdioden versehener Halbleiter-Chip ist in der Fig. 1 dargestellt. Dieser, mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Halbleiter-Chip weist acht Anschlüsse auf, von welchen vorliegend jedoch nur drei Anschlüsse, nämlich ein erster Versorgungsspannungsanschluß V1, ein zweiter Versor­ gungsspannungsanschluß V2 und ein Eingangssignalanschluß E interessieren.

Der erste Versorgungsspannungsanschluß V1 sei auf Masse ge­ legt, der zweite Versorgungsspannungsanschluß V2 sei mit +5 V beaufschlagt, und der Eingangssignalanschluß E sei für die Eingabe von Eingangssignalen ausgelegt, die zwischen 0 V und 5 V variieren können.

Damit in den Eingangssignalanschluß E eingegebene Spannungen, die größer als 5 V oder kleiner als 0 V sind, dem hierfür nicht ausgelegten Halbleiter-Chip nichts anhaben können, ist der Eingangssignalanschluß E über Dioden D1 und D2 oder als solche wirkende Strukturen mit den Versorgungsspannungs­ anschlüssen V1 und V2 wie in der Fig. 1 gezeigt verbunden.

Die zwischen dem Eingangssignalanschluß E und dem ersten Ver­ sorgungsspannungsanschluß V1 vorgesehene Diode D1 sperrt, wenn und so lange die am Eingangssignalanschluß E anliegende Spannung größer als ungefähr -0,7 V (0 V minus der übliche Spannungsabfall an leitenden Dioden) ist; sie wird leitend, wenn und so lange die am Eingangssignalanschluß E anliegende Spannung kleiner als ungefähr -0,7 V ist.

Die zwischen dem Eingangssignalanschluß E und dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß V2 vorgesehene Diode D2 sperrt, wenn und so lange die am Eingangssignalanschluß E anliegende Spannung kleiner als ungefähr 5,7 V (5 V plus der übliche Spannungsabfall an leitenden Dioden) ist; sie wird leitend, wenn und so lange die am Eingangssignalanschluß E anliegende Spannung größer als ungefähr 5,7 V ist.

Im normalen Betrieb des Halbleiter-Chip 1, d. h. wenn und so­ lange sich die am Eingangssignalanschluß E anliegende Span­ nung zwischen 0 V und 5 V bewegt, sperrt sowohl die Diode D1 als auch die Diode D2. Unterschreitet die am Eingangssignal­ anschluß E anliegende Spannung -0,7 V oder übersteigt sie 5,7 V, so wird eine der Dioden D1 und D2 leitend. Dadurch wird der Eingangssignalanschluß E über die betreffende Diode mit dem Versorgungsspannungsanschluß V1 oder dem Versorgungs­ spannungsanschluß V1 kurzgeschlossen.

Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, daß die genannten Spannungen, bei welchen die jeweiligen Dioden vom sperrenden in den leitenden Zustand übergehen, unter anderem tempera­ turabhängig und deshalb entsprechenden Schwankungen unter­ worfen sind.

Über die leitend gewordene Diode kann eine relativ große elektrische Leistung zwischen dem Eingangssignalanschluß E und einem der Versorgungsspannungsanschlüsse V1 oder V2 transferiert werden. Das bedeutet, daß über den Eingangs­ signalanschluß E ein relativ hoher Strom fließt (bei konstant gehaltener Spannung) oder sich am Eingangssignalanschluß E eine relativ hohe Spannung einstellt (bei eingeprägtem Strom).

Je größer der Beitrag der leitenden Diode zu dem über den Eigangsanschluß E fließenden Strom bzw. zu der sich dort einstellenden Spannung ist, desto genauer läßt sich die Halbleiter-Chip-Temperatur ermitteln. Im Idealfall wird der über den Eingangssignalanschluß E fließende Strom bzw. die sich dort einstellende Spannung während der Temperaturmessung ausschließlich von der betreffenden Diode beeinflußt.

Die elektrischen Eigenschaften von Dioden sind nämlich, wie eingangs bereits erwähnt wurde, temperaturabhängig und ermög­ lichen es mithin, aus dem über den Eingangssignalanschluß E fließenden Strom oder aus der sich am Eingangssignalanschluß E einstellenden Spannung die Temperatur des Halbleiter-Chip zu bestimmen.

Hierzu muß der zu untersuchende Halbleiter-Chip oder Halb­ leiter-Chip-Typ vorab hinsichtlich der bei verschiedenen Halbleiter-Chip-Temperaturen fließenden Ströme bzw. der sich bei verschiedenen Halbleiter-Chip-Temperaturen einstellenden Spannungen charakterisiert werden.

Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß Messungen von sich einstellenden Strömen und Spannungen an einem von außen aufeinanderfolgend auf vorbestimmte Tempera­ turen aufgeheizten Halbleiter-Chip durchgeführt werden.

Der zu charakterisierende Chip wird hierzu zunächst in einen Heiz- und/oder Kühlraum gegeben und dort im nicht betriebenen Zustand auf eine definierte Temperatur gebracht. Die defi­ nierte Temperatur ist die im Heiz- und/oder Kühlraum herr­ schende Temperatur, denn diese nimmt der Halbleiter-Chip über kurz oder lang an. Zu einem Zeitpunkt, zu dem davon ausgegan­ gen werden kann, daß der Halbleiter-Chip die definierte Tem­ peratur erreicht hat, wird der Halbleiter-Chip 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 Folge dessen über den Eingangssignal­ anschluß E fließende Strom bzw. der in den Eingangssignal­ anschluß E eingeprägte Strom und die sich als Folge dessen dort einstellende Spannung werden ermittelt und der definier­ ten 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 Spannungs­ werten die Halbleiter-Chip-Temperatur bestimmen läßt.

Sofern die Strom/Spannungs-Temperatur-Kennlinie einen linea­ ren oder einen definiert nichtlinearen (z. B. bekannten expo­ nentiellen) Verlauf aufweist, ist es ausreichend, die be­ schriebenen Messungen zur Halbleiter-Chip-Charakterisierung für nur einige wenige Temperaturen durchzuführen.

Zur Vereinfachung der Halbleiter-Chip-Charakterisierung kann vorgesehen werden, die bei der Temperaturmessung in den lei­ tenden Zustand versetzbaren Dioden derart auszubilden und zu dimensionieren, daß sich dadurch eine lineare oder definiert nichtlineare Strom/Spannungs-Temperatur-Kennlinie erzielen läßt.

Die zur Ermittlung der Strom/Spannungs-Temperatur-Kennlinie durchgeführten Messungen erfolgen hinsichtlich des Ablaufs und der Dauer vorzugsweise so, wie auch die später zur Tempe­ raturbestimmung durchzuführenden Messungen vorgenommen wer­ den.

Die jeweiligen Messungen sind vorzugsweise so durchzuführen, daß sich die eigentlich interessierende (vor dem Meßbeginn) herrschende Halbleiter-Chip-Temperatur bis zur tatsächlichen Messung nicht oder jedenfalls nicht wesentlich verändert. Hierzu erweist es sich als vorteilhaft, den zeitlichen Ab­ stand zwischen dem Einleiten der Messung und der eigentlichen Messung sowie den Meßvorgang selbst möglichst kurz zu machen. Unabhängig davon ist es günstig, wenn die durch die Tempe­ raturmessung im Halbleiter-Chip erzeugte Verlustleistung mög­ lichst gering gehalten wird. Hierfür, aber nicht nur deswegen ist anzustreben, die zur Temperaturmessung an den Eingangs­ signalanschluß E angelegte Spannung bzw. den zur Temperatur­ messung dort eingeprägten Strom so zu bemessen, daß diese nicht oder jedenfalls nicht wesentlich über denjenigen Werten liegen, die erforderlich sind, um eine der Dioden D1 oder D2 in den die Messung gestattenden leitenden Zustand zu ver­ setzen. Wenn der Halbleiter-Chip während der Temperatur­ messung 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 Tem­ peratur verändern können, so weit wie möglich eingeschränkt wird.

Während des "normalen" Betriebes des Halbleiter-Chips befin­ den sich die Dioden D1 und D2 im nicht leitenden Zustand, denn die an den Eingangssignalanschluß E angelegten Spannun­ gen bewegen sich dann im zulässigen Bereich zwischen 0 V und 5 V.

Soll während des "normalen" Betriebs eine Messung der aktuel­ len Halbleiter-Chip-Temperatur durchgeführt werden, so muß an den Eingangssignalanschluß E eine derart gepolte und bemes­ sene Spannung angelegt bzw. ein derart gepolter und bemesse­ ner 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 mithin zumindest teilweise (vorzugsweise erheblich oder ausschließ­ lich) durch die leitend gewordene Diode beeinflußt wird.

Die sich dabei einstellenden Spannungs- und Stromwerte werden - soweit sie nicht bekannt sind - gemessen und zur Tempera­ turbestimmung herangezogen. Die Temperaturbestimmung erfolgt dadurch, daß unter Verwendung der zuvor ermittelten Strom/ Spannungs-Temperatur-Kennlinie nachgesehen wird, welche Temperatur den ermittelten Strom- und Spannungswerten zuge­ ordnet ist.

Als Eingangssignalanschluß E wird vorzugsweise ein solcher Halbleiter-Chip-Anschluß ausgewählt, welcher mit einer Meß­ spannung beaufschlagt werden kann bzw. in welchen ein Meß­ strom eingeprägt werden kann, ohne den "normalen" Betrieb des Halbleiter-Chips zu stören oder unterbrechen zu müssen.

Für den Fall, daß das Anlegen einer Meßspannung an den Ein­ gangssignalanschluß E oder das Einprägen eines Meßstroms in den Eingangssignalanschluß E den "normalen" Betrieb des Halb­ leiter-Chips stören würde, muß der "normale" Betrieb für die Dauer der Messung kurzzeitig unterbrochen werden.

Wenngleich die zur Temperaturmessung herangezogenen Diode(n) gemäß der vorhergehenden Beschreibung jeweils zwischen einem Eingangssignalanschluß E und einem Versorgungsspannungs­ anschluß V1 oder V2 vorgesehen sind, können Temperaturmessun­ gen auch an anders als vorstehend beschrieben angeordneten Dioden durchgeführt werden. Die zur Temperaturmessung ver­ wendbaren Dioden können grundsätzlich zwischen beliebigen Halbleiter-Chip-Anschlüssen vorgesehen sein.

Anders gestaltet sich die Angelegenheit, wenn der Halbleiter­ chip wie beispielsweise ein einen Hall-Sensor repräsentieren­ der oder enthaltender Halbleiter-Chip nur zwei Versorgungs­ spannungsanschlüsse als Halbleiter-Chip-Anschlüsse aufweist.

Theoretisch könnte man auch in diesem Fall eine Diode zwi­ schen den zur Verfügung stehenden Halbleiter-Chip-Anschlüssen vorsehen, welche im Normalbetrieb des Halbleiter-Chips sperrt und durch Anlegen entsprechender (verpolter) Spannungen an die Halbleiter-Chip-Anschlüsse in den leitenden Zustand ver­ setzbar ist.

Allerdings ist das Verpolen der Versorgungsspannungs­ anschlüsse eines Halbleiter-Chips zumindest teilweise ver­ boten, so daß das vorstehend beschriebene Temperaturmeß­ verfahren in dieser Form nicht anwendbar ist.

Sofern die Temperaturmessung überhaupt unter Ausnutzung der temperaturabhängigen Eigenschaften einer Diode möglich ist, muß die hierzu heranziehbare Diode eine Verpolschutzdiode oder eine als solche wirkende Struktur sein.

Ein mit einer Verpolschutzdiode ausgestatteter Halb­ leiter-Chip ist in der Fig. 2 dargestellt.

Der in der Fig. 2 gezeigte, mit dem Bezugszeichen 10 be­ zeichnete Halbleiter-Chip weist zwei Anschlüsse, nämlich einen ersten Versorgungsspannungsanschluß V11 und einen zwei­ ten Versorgungsspannungsanschluß V12 auf.

Der erste Versorgungsspannungsanschluß V11 sei mit einer Spannung von 5 V beaufschlagt, und der zweite Versorgungs­ spannungsanschluß V12 sei mit Masse verbunden.

Der betrachtete Halbleiter-Chip möge ein Hall-Sensor mit integrierter Steuerschaltung sein.

Der eigentliche Hall-Sensor und/oder die Steuerschaltung sind in der Fig. 2 als ein Block 11 dargestellt und, wie aus der Figur ersichtlich ist, mit einer Diode D11 in Reihe geschal­ tet.

Die Diode D11 ist oder wirkt jedenfalls wie eine Verpol­ schutzdiode, die im "normalen" Betrieb des Halbleiter-Chip elektrisch leitend und im Verpolfall sperrend ist.

Anders als die vorstehend beschriebenen Überspannungsschutz­ dioden D1 und D2 kann die Verpolschutzdiode D11 jedoch nicht zur Bestimmung der Halbleiter-Chip-Temperatur herangezogen werden, wenn und so lange sie sich im leitenden Zustand be­ findet. Die im Halbleiter-Chip vorgesehene Steuerschaltung sorgt nämlich unter anderem für eine Temperaturkompensation, durch welche der durch das Hall-Element fließende Strom unab­ hängig von der Temperatur gemacht wird. D.h., der im leiten­ den Zustand der Diode D11 durch diese fließende Strom (bei fest vorgegebener Spannung) bzw. die sich an dieser einstel­ lende Spannung (bei eingeprägtem Strom) ist nicht temperatur­ abhängig und folglich auch nicht für eine Bestimmung der Halbleiter-Chip-Temperatur brauchbar.

Die Diode D11 wird daher in derartigen oder ähnlich gelager­ ten Fällen zur Temperaturmessung in den Sperrzustand ver­ setzt. Das Versetzen der Diode D11 in den Sperrzustand kann dadurch erfolgen, daß die an die Versorgungsspannungsanschlüsse V11 und V12 anzulegenden Spannungen zumindest hinsichtlich der Polung vertauscht werden.

Im gesperrten Zustand (bei verpolten Versorgungsspannungen) fließt durch die Diode ein nur sehr geringer Strom, welcher den Halbleiter-Chip weder zerstören kann noch für einen scheinbar ordnungsgemäßen Betrieb desselben ausreicht. Da­ durch kann die Diode D11 im betrachteten Beispiel als Verpol­ schutzdiode wirken, welche den teilweise von Haus aus nicht zulässigen verpolten Anschluß des Halbleiter-Chip an die Stromversorgung gestattet.

Dioden weisen auch im gesperrten Zustand ein temperaturabhän­ giges Verhalten auf, so daß auch in diesem Fall die Größe des fließenden Stroms (bei Anschluß an eine Spannungsquelle) und/oder die Größe der sich an den Versorgungsspannungs­ anschlüssen einstellende Spannung (bei Anschluß an eine Stromquelle) zur Bestimmung der Temperatur des Halb­ leiter-Chips herangezogen werden können.

Die Bestimmung der Halbleiter-Chip-Temperatur unter Aus­ nutzung der temperaturabhängigen Eigenschaften einer im Sperrzustand befindlichen Diode kann sich als schwieriger oder weniger genau als bei Verwendung einer im leitenden Zustand befindlichen Diode erweisen, weil die durch eine sperrende Diode fließenden Ströme sich im pA- bis µA-Bereich bewegen und folglich weniger leicht und fehlerfrei zu erfassen sind.

Derartige Probleme lassen sich jedoch vermeiden, wenn als Diode D11 eine (unvollkommene bzw. nicht ideale) Diode ver­ wendet wird, welche auch im Sperrzustand einen nicht unerheb­ lichen, aber für den Halbleiter-Chip noch zulässigen Strom durchläßt.

Die Art und Weise, wie die Diode als die besagt unvollkommene Diode realisiert werden kann, wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert.

Ausgangspunkt der nachfolgenden Betrachtungen ist eine prak­ tisch durch einen Bipolartransistor realisierte Diode; eine mögliche Ausführungsform eines als Diode wirkenden (pnp-)Bipolartransistors und dessen Verschaltung ist aus der Fig. 3 ersichtlich.

Realisiert man den in der Fig. 3 gezeigten Bipolartransistor in einer integrierten Schaltung, so gelangt man zu einer wie in der Fig. 4 schematisch dargestellten Halbleiterstruktur.

Die in der Fig. 4 dargestellte Struktur besteht aus einem p-Substrat 21, in dem eine n⁻-Wanne 22 ausgebildet ist, welche ihrerseits wiederum ein n⁺-Gebiet 23, einen p⁺-Ring 24 und ein darin vorgesehenes p⁺-Gebiet 25 aufweist.

Die n⁻-Wanne 22 entspricht der Basis des Bipolartransistors, der p⁺-Ring 24 dessen Kollektor, und das p⁺-Gebiet 25 dessen Emitter. Der Kollektor ist mit einer oberhalb der Halbleiter­ anordnung verlaufenden Aluminium-Leiterbahn 26 kontaktiert, und der Emitter ist über eine oberhalb der Halbleiteranord­ nung verlaufenden Aluminium-Leiterbahn 27 kontaktiert.

Möglichkeiten zur praktische Realisierung von Bipolartransi­ storen in integrierten Schaltungen sind allgemein bekannt, so daß auf eine weiter ins Detail gehende Beschreibung verzich­ tet wird.

Bei der in der Fig. 4 gezeigten Bipolartransistor-Realisie­ rung bildet sich im sperrenden Zustand der dadurch gebildeten Diode (bei einem verpolten Anschluß des Halbleiter-Chips) insbesondere aufgrund des dann niedrigen Potentials am Emitter unterhalb der Leiterbahn 27 zwischen dem p⁺-Ring 24 und dem p⁺-Gebiet 25 ein parasitärer MOS-Feldeffekttransistor aus. Bei diesem MOS-Feldeffekttransistor handelt es sich im betrachteten Beispiel um einen p-Kanal-MOSFET, dessen Gate durch die Aluminium-Leiterbahn 27 (Emitterzuleitung), dessen Source durch den p⁺-Ring 24 (Kollektor) und dessen Drain durch das p⁺-Gebiet 25 (Emitter) gebildet werden.

Der parasitäre p-Kanal-MOSFET ist im Verpolfall leitend und verursacht einen Stromfluß zwischen dem Emitter und dem Kol­ lektor des durch die gezeigte Struktur eigentlich zu reali­ sierenden Bipolartransistors. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die dadurch letztlich zu realisierende Diode nicht wirklich sperrt und insofern unvollkommen ist.

Zur Verhinderung dieses unerwünschten Effekts werden übli­ cherweise sogenannte Poly- oder Kollektor-Tief-Guardringe vorgesehen. Die genannten Guardringe wirken als channel stop­ per und unterbinden im betrachteten Beispiel die Ausbildung von parasitären MOS-Transistoren innerhalb von Bipolartransi­ storen. Diese, im übrigen allgemein bekannten Guardringe, sind aus den genannten Gründen häufig unverzichtbare Bestand­ teile von in integrierten Schaltungen auszubildenden Bipolar­ transistoren.

Genau diese Guardringe oder sonstige Maßnahmen zur Unterbin­ dung der Ausbildung von parasitären MOS-Transistoren in Bi­ polartransistoren werden im betrachteten Beispiel aber weg­ gelassen.

Die Folge ist, daß auch im sperrenden Zustand befindliche Dioden zur Messung der Halbleiter-Chip-Temperatur herange­ zogen werden können. Der im sperrenden Zustand durch diese fließende Strom bzw. die sich in diesem Zustand einstellende Spannung sind nämlich relativ groß und weisen eine starke Temperaturabhängigkeit auf, so daß sich im sperrenden Zustand befindliche Dioden ähnlich gut wie im leitenden Zustand be­ findliche Dioden zur Temperaturmessung eignen.

Die Tatsache, daß auch im sperrenden Zustand der zur Tempera­ turmessung herangezogenen Diode ein nicht unerheblicher Strom fließen kann, ermöglicht es, auf einen anderenfalls zusätz­ lich erforderlichen Aufwand zur Erfassung von nur sehr klei­ nen temperaturbedingten Strom- und Spannungsschwankungen zu verzichten.

Wie groß der im sperrenden Zustand der Diode fließende Strom wird, kann - abgesehen von der Einflußnahme über die ange­ legte Spannung - über die Anzahl der Bipolartransistoren ein­ gestellt werden, bei denen die von Haus aus vorzusehenden Maßnahmen zur Verhinderung der Ausbildung von parasitären MOS-Transistoren nicht ergriffen werden.

Hierbei ist es wichtig zu wissen, daß eine als Verpolschutz­ diode wirkende Diode nicht etwa nur durch einen einzigen Bipolartransistor, sondern durch eine große Anzahl von zu­ einander parallel geschalteten (beispielsweise 100) Bipolar­ transistoren gebildet wird; nur so kann erreicht werden, daß ein größerer Strom durch die dadurch realisierte Diode flie­ ßen kann.

Durch die unvollkommene Ausbildung beliebig vieler dieser Bipolartransistoren und gegebenenfalls noch weiterer im Halb­ leiter-Chip enthaltener Bipolartransistoren kann die Unvoll­ kommenheit einer Diode sehr genau auf ein gewünschtes Ausmaß eingestellt werden.

Die Verwendung einer in Sperrichtung betriebenen Diode zur Temperaturmessung erfolgt im wesentlichen wie die Verwendung einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diode.

D.h., auch im Fall einer sperrenden Diode muß zunächst eine Strom/Spannungs-Temperatur-Kennlinie zur Halb­ leiter-Chip-Charakterisierung aufgenommen werden. Die Aufnahme einer der­ artigen Kennlinie erfolgt analog zur Aufnahme der Strom/­ Spannungs-Temperatur-Kennlinie im Fall der Temperaturmessung mit Hilfe von leitenden Dioden. Bezüglich der Einzelheiten der Aufnahme der Strom/Spannungs-Temperatur-Kennlinie für die Temperaturmessung mit Hilfe von sperrenden Dioden wird daher auf die entsprechenden Ausführungen zur Aufnahme der Strom-Spannungs-Temperatur-Kennlinie für die Temperaturmessung mit Hilfe von leitenden Dioden verwiesen.

Zur eigentlichen Messung der Halbleiter-Chip-Temperatur muß der "normale" Betrieb des Halbleiter-Chips unterbrochen wer­ den. Das Betreiben der Verpolschutzdiode D11 in Sperrichtung erfordert nämlich ein Verpolen der Versorgungsspannung, was in der Regel einen "normalen" Betrieb des Halbleiter-Chips unterbindet.

Für die Messung gilt ansonsten das zur Messung an leitenden Dioden Gesagte. D.h., es wird in möglichst kurzer Zeit der über die Versorgungsspannungsanschlüsse V11 und V12 fließende Strom (bei Anschluß an eine Spannungsquelle) bzw. die sich einstellende Spannung (bei Anschluß an eine Stromquelle) ermittelt und unter Verwendung der für den betreffenden Halb­ leiter-Chip oder Halbleiter-Chip-Typ ermittelten Strom/­ Spannungs-Temperatur-Kennlinie ausgewertet.

Die Verwendung der Strom/Spannungs-Temperatur-Kennlinie er­ möglicht, wenn die aktuellen Messungen unter den selben Be­ dingungen wie die Aufnahme der Strom/Spannungs-Temperatur- Kennlinie erfolgen, eine eindeutige Zuordnung einer Tempera­ tur zu den bei der jeweiligen Messung ermittelten Strom- und/oder Spannungswerten.

Der Meßvorgang selbst soll, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, relativ schnell vonstatten gehen, damit keine durch die Messung verursachten Temperaturänderungen des Halbleiter-Chips das Meßergebnis verfälschen. Dies gilt sowohl für die Messung der Temperatur an dem Halbleiter-Chip gemäß Fig. 1 als auch für die Messung der Temperatur an dem Halb­ leiter-Chip gemäß Fig. 2.

Nichtsdestotrotz kann sich für bestimmte Zwecke aber auch ein länger andauernder Meßvorgang als vorteilhaft erweisen. Da­ durch können nämlich thermische Zeitkonstanten ermittelt wer­ den.

Die Kenntnis thermischer Zeitkonstanten erlaubt es beispiels­ weise, auf die eigentlich interessierende Halbleiter-Chip- Temperatur zurückzurechnen, wenn zwischen der Einleitung der Messung und der tatsächlichen Messung so viel Zeit vergangen ist, daß sich die interessierende Temperatur zwischenzeitlich verändert hat.

In diesem Zusammenhang könnte auch vorgesehen werden, Messun­ gen an unabhängig voneinander betreibbaren, auf dem selben Halbleiter-Chip entfernt voneinander vorgesehenen Dioden vor­ zunehmen, wobei eine der Dioden längere Zeit im Meßbetrieb betrieben wird (und dadurch nicht nur als Meßelement sondern auch als Heizelement innerhalb des Halbleiter-Chips wirkt) und die andere der Dioden nur jeweils kurzzeitig im Meß­ betrieb betrieben wird (und dadurch ausschließlich als Meß­ element wirkt).

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß es gelungen ist, im Halbleiter-Chip integrierte Dioden derart einzu­ setzen, daß es unter allen Umständen und auf äußerst einfache Weise möglich ist, die Halbleiter-Chip-Temperatur mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Bezugszeichenliste

1

Halbleiter-Chip

10

Halbleiter-Chip

11

Hall-Sensor und Steuerschaltung

21

p-Substrat

22

n⁻-Wanne

23

n⁺-Gebiet

24

p⁺-Ring

25

p⁺-Gebiet

26

Aluminium-Leiterbahn

27

20
E Eingangssignalanschluß
V1 erster Versorgungsspannungsanschluß
V2 zweiter Versorgungsspannungsanschluß
D1 Überspannungsschutzdiode
D2 Überspannungsschutzdiode
V11 erster Versorgungsspannungsanschluß
V12 zweiter Versorgungsspannungsanschluß
D1 Verpolschutzdiode

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines Halb­ leiter-Chips (1; 10), gekennzeichnet durch
Beaufschlagen ausgewählter Halbleiter-Chip-Anschlüsse (E, V1, V2; V11, V12) mit derart gepolten und bemessenen Spannungen oder Einprägen derart gepolter oder bemessener Ströme in dieselben, daß der sich dabei einstellende Strom­ fluß und/oder die sich dabei einstellende Spannung zumindest teilweise durch eine zwischen den ausgewählten Halbleiter- Chip-Anschlüssen vorgesehene Diode (D1, D2; D11) 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 oder Halb­ leiter-Chip-Typ ermittelten Strom/Spannungs-Temperatur-Zuord­ nung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Temperaturmessung herangezogene Diode (D1, D2) oder die als solche wirkende Struktur im normalen Betrieb des Halbleiter-Chips (1) sperrt und zur Temperaturmessung in den leitenden Zustand versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Temperaturmessung herangezogene Diode (D1, D2) eine Überspannungsschutzdiode ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Temperaturmessung herangezogene Diode (D11) oder die als solche wirkende Struktur im normalen Betrieb des Halbleiter-Chips (1) leitend ist und zur Temperaturmessung in den sperrenden Zustand versetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Temperaturmessung herangezogene Diode (D11) eine Verpolschutzdiode ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Temperaturmessung herangezogene Diode (D11) durch eine Vielzahl von im Halbleiter-Chip integrierten parallel geschalteten Bipolartransistoren realisiert ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolartransistoren zumindest teilweise derart ausge­ bildet sind, daß sich dort parasitäre MOS-Transistoren bil­ den, welche im sperrenden Zustand der Diode einen Stromfluß zwischen dem Emitter (25) und dem Kollektor (24) des Bipolar­ transistors bewirken.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolartransistoren zumindest teilweise guardringfrei ausgebildet sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Temperaturbestimmung herangezogene Strom/Spannungs-Temperatur-Zuordnung aus einer Versuchsreihe resultiert, bei welcher ein nicht betriebener Halbleiter-Chip (1; 10) von außen auf verschiedene vorbestimmte Temperaturen gebracht wird und dann wie bei einer Temperaturmessung in Be­ trieb genommen wird, um die sich bei den vorbestimmten Halb­ leiter-Chip-Temperaturen einstellenden Strom- und Spannungs­ werte zu ermitteln.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Temperatur des Halbleiter-Chips einer Umrechnung unterzogen wird, durch welche Temperatur­ veränderungen zwischen dem Beginn der Temperaturmessung und der tatsächlichen Temperaturmessung eliminiert werden.