JP2009008625A

JP2009008625A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2009008625A
Application number: JP2007172553A
Authority: JP
Inventors: Nobumasa Ichinose; 信征一ノ瀬
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】バーンイン試験の際に半導体装置内の温度制御の精度を向上させること。
【解決手段】被テスト回路となるユーザロジック回路１５の温度に応じた電圧Ｖfを出力する温度センサ１２と、温度センサ１２の出力電圧Ｖf、及び外部からのリファレンス電圧Ｖrefに基づいて制御電圧を出力するオペアンプ１３と、オペアンプ１３からの制御電圧に基づいて、ユーザロジック回路１５に向けて出力するクロック信号ｃｌｋの周波数を制御する電圧制御発振回路１４と、を備える。温度センサ１２は、入力された定電圧に基づいて、ユーザロジック回路１５の温度に応じて出力電圧Ｖfを調整する温度ダイオード１２ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度制御回路を有する半導体装置に関する。

半導体装置では、時間経過に伴う故障として初期故障、偶発故障、磨耗故障の３種類が存在する。この中で初期に発生するものが初期故障である。初期故障での不良は、製造時になんらかの欠陥が発生したことが原因となる。この初期故障を取り除くために、スクリーニングを行う。スクリーニング方法のひとつとして、バーンイン試験がある。バーンイン試験では、半導体装置に電気的ストレス及び温度ストレスをかけることによって欠陥をもつ半導体装置に故障を発生させ製品出荷前に初期故障品を取り除く手法である。バーンイン試験では、半導体装置においてターゲットとする温度を一定時間維持しなければならない。温度が低すぎる場合はスクリーニングが不十分で初期故障を取り除くことができず、温度が高すぎる場合は半導体装置に必要以上の負荷をかけてしまう。そのため、バーンイン試験において半導体装置の温度を正確に制御する手法が望まれている。

以上のように、バーンイン試験では、半導体装置を一定時間、特定の温度に維持する必要があり、半導体装置を恒温槽に入れることで温度を維持する。バーンイン試験の際、半導体装置には電源とテストパターンが供給されて内部の回路が動作して発熱する。そのため、恒温槽内の温度を制御するだけでは、半導体装置のジャンクション温度を正確に制御できないという問題が発生する。この問題に対して、特許文献１では、バーンイン試験中に半導体装置内のロジック組込みＢＩＳＴ回路の動作速度を変化させることで半導体装置のジャンクション温度を制御する手法が開示されている。

特許文献１では、ＬＢＩＳＴ回路構成１１０、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０、及び熱センサ１３０を含むシステム１００が開示されている（図５参照）。熱センサ１３０からの温度情報を受け取ったＬＢＩＳＴコントローラ１２０がＬＢＩＳＴ回路構成１１０の動作速度を制御することによって半導体装置の温度を変化させる仕組みとなっている。このシステムの動作は、図６のように、まず、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０が熱センサ１３０から温度情報を受信するところから始まる（ブロック３１０）。次に、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０は、この温度情報を上側閾値と比較する（ブロック３２０）。温度が上側閾値より高い場合（ブロック３２０のＹＥＳ）、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０は、ＬＢＩＳＴ回路構成１１０の走査移動速度を減少させ、発熱を抑え（ブロック３３０）、熱センサ１３０からの温度情報を受信する動作に戻る。温度が上側閾値以下の場合（ブロック３２０のＮＯ）、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０は、前記温度情報を下側閾値と比較する（ブロック３４０）。温度が下側閾値よりも低い場合（ブロック３４０のＹＥＳ）、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０は、ＬＢＩＳＴ回路構成１１０の走査移動速度を増加させ、半導体装置の温度を上昇させ（ブロック３５０）、熱センサ１３０からの温度情報を受信する動作に戻る。温度が下側閾値以上の場合（ブロック３４０のＮＯ）、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０は、ＬＢＩＳＴ回路構成１１０の走査移動速度を維持し（ブロック３６０）、そのまま熱センサ１３０からの温度情報を受信する動作に戻る。上述のような動作により半導体装置の温度を制御している。

また、特許文献１では、ＬＢＩＳＴ回路構成１１０、ＬＢＩＳＴコントローラ１２０、熱センサ１３０、ＰＬＬ５７０、ＡＮＤ回路５６０を有するシステムが開示されている（図７参照）。このシステムでは、ＡＮＤ回路５６０によってＬＢＩＳＴ回路構成１１０に伝播するクロック周波数を増減させることにより、回路の発熱を制御する。その動作は、次のようになる。熱センサ１３０から受け取った温度情報を示すアナログ信号をデコーダ５１０でデジタル信号に変換し、コンパレータ５２０にてデジタル信号に変換された温度情報とレジスタ５２５に格納された温度閾値とを比較する。その比較結果に基づいて、セレクタ５３０は、レジスタ５３５に格納されている値の中から対応する値を読み出してコンパレータ５４０にわたす。コンパレータ５４０は、セレクタ５３０からの値とバイナリカウンタ５５０の値とを比較し、一致したときのみＡＮＤ回路５６０にアサート信号を送る。この結果、ＰＬＬ５７０のクロックは、ＡＮＤ回路５６０がアサート信号を受信したときのみＬＢＩＳＴ回路構成１１０に伝播する。よってコンパレータ５４０がアサート信号の送信を制御することで回路の動作速度を変更し、発熱を制御することができる。

特開２００６−８４４７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の手法では、維持できる温度が段階的になってしまい半導体装置の温度がターゲットとする温度とずれてしまうという問題がある。その原因は、温度というアナログ情報をデジタル信号に変換し、デジタル回路で処理するからである。

図７を参照すると、熱センサ１３０から温度情報を示すアナログ信号をデコーダ５１０によりデジタル信号に変換し、レジスタ５２５に入っている温度閾値と比較を行うため、認識できる温度がレジスタ５２５の数に制限される。そして、ＰＬＬ５７０からのクロックをＡＮＤ回路５６０で遮断する頻度を変更することによって回路の発熱を制御するため、回路の活性化率が１／２、１／３、１／４、・・・といった幅の制御になる。これらの要因により、特許文献１に記載の手法では、制御できる温度が段階的になってしまい、半導体装置の温度制御の精度が低下する。

本発明の主な課題は、バーンイン試験の際に半導体装置内の温度制御の精度を向上させることである。

本発明の一の視点においては、温度制御回路を有する半導体装置において、被テスト回路の温度に応じた電圧を出力する温度センサと、前記温度センサの出力電圧、及び外部からのリファレンス電圧に基づいて制御電圧を出力するオペアンプと、前記オペアンプからの制御電圧に基づいて、前記被テスト回路に向けて出力するクロック信号の周波数を制御する電圧制御発振回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、被テスト回路の温度に応じてクロック周波数を変化させることで半導体装置の温度を制御し、バーンイン試験の際に目的の温度を維持することができる。また、温度情報となる温度センサの出力電圧をデジタル信号に変換することなくリファレンス電圧と比較し、その結果に応じて電圧制御発振回路の制御電圧を変更することでクロック周波数を細かく制御できるため、温度調節を高精度で行うことができる。

本発明の前記半導体装置において、前記制御電圧は、アナログ信号であることが好ましい。

本発明の前記半導体装置において、前記温度センサは、入力された定電圧に基づいて、前記被テスト回路の温度に応じて出力電圧を調整する温度ダイオードを有することが好ましい。

本発明の前記半導体装置において、前記温度ダイオードは、アノードが定電圧入力端子及び前記オペアンプに接続され、カソードがグランドに接続されていることが好ましい。

本発明の前記半導体装置において、前記リファレンス電圧は、ターゲット温度に対応した定電圧であり、前記温度センサの温度特性に応じて設定されることが好ましい。

本発明の実施例１に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を模式的に示したブロック図である。

半導体装置１０は、基板上に半導体部品を搭載した装置であり、温度制御回路を搭載している。半導体装置１０は、温度センサ１２、オペアンプ１３、電圧制御発振回路１４、ユーザロジック回路１５、及び外部端子１６、１７を有する。

温度センサ１２は、半導体装置１０（ユーザロジック回路１５）の温度を検出するセンサである。温度センサ１２は、半導体装置１０の外部にある電流源１１からの定電圧が外部端子１６を介して入力され、半導体装置１０の温度に応じた電圧Ｖfをオペアンプ１３の非反転入力端子（＋）に向けて出力する。温度センサ１２は、半導体装置１０の温度に応じて電流源１１からの定電圧を電圧Ｖfに調整する温度ダイオード１２ａを有する。温度ダイオード１２ａは、アノードが外部端子１６、及びオペアンプ１３の非反転入力端子（＋）に接続され、カソードがグランドに接続されている。温度ダイオード１２ａは、安定した順方向電圧の温度特性を有する。

オペアンプ１３は、演算増幅器であり、非反転入力端子（＋）が温度センサ１２と接続され、反転入力端子（−）が外部端子１７と接続され、出力端子が電圧制御発振回路１４と接続されている。オペアンプ１３は、温度センサ１２からの電圧Ｖfと、外部からのリファレンス電圧Ｖrefとが入力され、この２つの電圧に基づいて電圧制御発振回路１４を制御する制御電圧を出力する。制御電圧は、アナログ信号であり、電圧制御発振回路１４の入力電圧となる。

電圧制御発振回路１４は、ユーザロジック回路１５に供給するクロックパルスを発生する回路である。電圧制御発振回路１４は、オペアンプ１３の出力端子と接続されており、オペアンプ１３からの制御電圧に基づいて、クロック周波数を制御する。

ユーザロジック回路１５は、動作時に発熱する被テスト回路であり、半導体装置１０の熱源となる。ユーザロジック回路１５には、電圧制御発振回路１４で制御されたクロック信号が入力される。なお、図示されていないが、ユーザロジック回路１５にはバーンイン試験の際に電源とテストパターンが入力され、ユーザロジック回路１５の出力データは圧縮されて期待値と比較されることになる。

外部端子１７は、オペアンプ１３の入力端子と接続されている。外部端子１７は、外部からリファレンス電圧Ｖrefが入力され、入力されたリファレンス電圧Ｖrefをオペアンプ１３の反転入力端子（−）に供給する。リファレンス電圧Ｖrefは、設定したい温度となるターゲット温度に対応した定電圧であり、温度センサ１２（温度ダイオード１２ａ）の温度特性を考慮して設定される。

次に、本発明の実施例１に係る半導体装置の動作について図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施例１に係る半導体装置の動作を模式的に示したフローチャート図である。

なお、ここでは、半導体装置（図１の１０）には外部からターゲット温度に対応した電圧が入力され、温度センサ（図１の１２）から出力される電圧Ｖfは温度上昇に反比例して低くなるものとし、電圧制御発振回路（図１の１４）は入力電圧上昇に比例して発振周期が短くなる（発振周波数が高くなる）ものとする。

まず、温度センサ（図１の１２）が半導体装置（図１の１０）の温度に応じた電圧Ｖfを出力することから始まる（ステップＡ１）。そして、温度センサ（図１の１２）の温度特性を考慮し、外部端子（図１の１７）からターゲット温度に対応したリファレンス電圧Ｖrefを入力する（ステップＡ２）。なお、図２では便宜上ステップＡ１をステップＡ２より先に示しているが、順序には拘らない。

次に、オペアンプ（図１の１３）は、入力された電圧Ｖfとリファレンス電圧Ｖrefを比較し（ステップＡ３、Ａ７）、電圧制御発振回路（図１の１４）の制御電圧を決定する（ステップＡ４、Ａ８）。なお、図２では便宜上ステップＡ３をステップＡ７より先に示しているが、順序には拘らない。

比較の際、オペアンプ（図１の１３）は、電圧Ｖfがリファレンス電圧Ｖrefよりも大きいか否かを判定する（ステップＡ３）。

電圧Ｖfがリファレンス電圧Ｖrefよりも大きい場合（ステップＡ３のＹＥＳ）、すなわち半導体装置（図１の１０）の温度がターゲット温度より低い場合、オペアンプ（図１の１３）から出力する制御電圧は高くなり（ステップＡ４）、制御電圧が高くなることで電圧制御発振回路（図１の１４）から出力されるクロック周波数が高くなる（ステップＡ５）。これにより、ユーザロジック回路（図１の１５）が高速に動作し、発熱量が増加する（ステップＡ６）。その後、ステップＡ１に戻る。ここで、温度センサ（図１の１２）の温度特性は温度が低ければ出力される制御電圧が高くなるので、ターゲット温度より半導体装置の温度が低ければ電圧Ｖfはリファレンス電圧Ｖrefより高くなる。

電圧Ｖfがリファレンス電圧Ｖrefよりも大きくない場合（ステップＡ３のＮＯ）、オペアンプ（図１の１３）は、電圧Ｖfがリファレンス電圧Ｖrefよりも小さいか否かを判定する（ステップＡ７）。

電圧Ｖfがリファレンス電圧Ｖrefよりも小さい場合（ステップＡ７のＹＥＳ）、すなわち半導体装置（図１の１０）の温度がターゲット温度より高い場合、オペアンプ（図１の１３）から出力する制御電圧は低くなり（ステップＡ８）、制御電圧が低くなることで電圧制御発振回路（図１の１４）から出力されるクロック周波数が低くなる（ステップＡ９）。これにより、ユーザロジック回路（図１の１５）が低速に動作し、発熱量が減少する（ステップＡ１０）。その後、ステップＡ１に戻る。

電圧Ｖfがリファレンス電圧Ｖrefよりも小さくない場合（ステップＡ７のＮＯ）、すなわち半導体装置（図１の１０）の温度がターゲット温度と一致した場合、Ｖf＝Ｖrefとなるため、オペアンプ（図１の１３）から出力される制御電圧は維持され（ステップＡ１１）、電圧制御発振回路（図１の１４）から出力されるクロック周波数は変化せず（ステップＡ１２）、ユーザロジック回路（図１の１５）の動作速度が維持され、発熱量が維持される（ステップＡ１３）。その後、ステップＡ１に戻る。

以上のようにして、半導体装置内温度に応じて周波数を制御することでバーンイン試験における半導体装置の動作による発熱を制御し、半導体装置内の温度を目的の温度に維持することができる。

次に、本発明の実施例１に係る半導体装置の効果について、従来例と比較しながら図面を用いて説明する。図３は、本発明の実施例１に係る半導体装置の温度制御の様子を示した模式図である。図４は、従来例に係るシステムの温度制御の様子を示した模式図である。なお、図３、図４では、縦軸が温度、横軸が時間経過となっている。設定したい温度となるターゲット温度は点線で示されており、時間変化にともなう半導体装置（システム）の温度変化は実線で示されている。

従来例（構成は図７参照）ではバーンイン試験時の温度制御の精度を悪化させる原因として以下の２点があった。第１の原因として、温度センサからの温度情報をＡ／Ｄ変換し、デジタル回路で信号を比較して温度を認識するため、認識できる温度が回路での判定温度に限定され、認識できる温度は段階的になることである。第２の原因として、クロック周波数を制御する際、出力されたクロックをマスクして単位時間あたりに伝播するクロックを減らすことで周波数を変更するため、クロックが１／２、１／３、１／４といった幅でしか変更できず、発熱の制御が段階的になってしまうことである。そのため、従来例では、図４で示すように温度の変化が段階的になる。また、制御できる温度の最小幅にターゲット温度が一致するとは限らないため、システムの温度がターゲット温度近辺でぶれ続けることになる。

それに対し、本発明の実施例１では、以下の２点により温度制御の精度悪化を解決している。第１に、半導体装置の温度を示す温度センサの電圧値をそのまま温度比較の値として使用しており、電圧値をＡ／Ｄ変換しないため、変換時の温度誤差が発生しない。第２に、クロック周波数を制御するために電圧制御発振回路の制御電圧を変化させ、電圧制御発振回路が制御電圧の値に応じてクロック周波数を変更するため、クロックをマスクする従来の制御手法と比べてより細かくクロック周波数を制御できる。そのため、半導体装置での温度制御の精度が良くなる。つまり、実施例１では、電圧制御発振回路の制御電圧を変更することで細かくクロック周波数を制御できるため、図３で示すようにターゲット温度と半導体装置の温度が一致するような周波数を設定することができ、温度制御の精度が良くなる。

なお、前述の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を模式的に示したブロック図である。本発明の実施例１に係る半導体装置の動作を模式的に示したフローチャート図である。本発明の実施例１に係る半導体装置の温度制御の様子を示した模式図である。従来例に係るシステムの温度制御の様子を示した模式図である。従来例に係るシステムの構成を模式的に示したブロック図である。従来例に係るシステムの動作を模式的に示したフローチャート図である。従来例に係るシステムの詳細な構成を模式的に示したブロック図である。

符号の説明

１０半導体装置
１１電流源
１２温度センサ
１２ａ温度ダイオード
１３オペアンプ
１４電圧制御発振回路
１５ユーザロジック回路
１６、１７外部端子
１００システム
１１０ＬＢＩＳＴ回路構成
１２０ＬＢＩＳＴコントローラ
１３０熱センサ
５１０デコーダ
５２０コンパレータ
５３０セレクタ
５２５、５３５レジスタ
５４０コンパレータ
５５０バイナリカウンタ
５６０ＡＮＤ回路
５７０ＰＬＬ

Claims

被テスト回路の温度に応じた電圧を出力する温度センサと、
前記温度センサの出力電圧、及び外部からのリファレンス電圧に基づいて制御電圧を出力するオペアンプと、
前記オペアンプからの制御電圧に基づいて、前記被テスト回路に向けて出力するクロック信号の周波数を制御する電圧制御発振回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
前記制御電圧は、アナログ信号であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記温度センサは、入力された定電圧に基づいて、前記被テスト回路の温度に応じて出力電圧を調整する温度ダイオードを有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
前記温度ダイオードは、アノードが定電圧入力端子及び前記オペアンプに接続され、カソードがグランドに接続されていることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
前記リファレンス電圧は、ターゲット温度に対応した定電圧であり、前記温度センサの温度特性に応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体装置。