JP2011086742A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度センサを内蔵した半導体装置における測定温度の補正技術に関し、例えば、測定温度データを利用するマイクロコンピュータに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a technique for correcting a measured temperature in a semiconductor device having a built-in temperature sensor, for example, a technique effective when applied to a microcomputer that uses measured temperature data.
近年、自動車エンジン制御用マイクロコンピュータは、より高温での動作の要求が多くなってきている。また、それにあわせてマイクロコンピュータへの温度センサの搭載の要求も多い。自動車のエンジンは非常に高温となるため、搭載する温度センサについては、特に高温側の温度検知を高精度にする必要がある。 In recent years, microcomputers for automobile engine control have been increasingly required to operate at higher temperatures. In accordance with this, there are many demands for mounting a temperature sensor on a microcomputer. Since the engine of an automobile becomes very hot, it is necessary to make temperature detection on the high temperature side highly accurate especially for the temperature sensor to be mounted.
従来のマイクロコンピュータ上に搭載されるオンチップの温度センサによる温度検知の方法としては例えば、正の温度特性又は負の温度特性を持つ電圧と、何らかの方法により生成した温度依存性の無い基準電圧とを用いて、温度センサ内においてアナログまたはディジタル的な方法により、これらの電圧を比較して温度検知を行う方法がある。前述の正の温度特性又は負の温度特性を持つ電圧としては、例えば、以下の電圧が用いられる。 As a method of temperature detection by an on-chip temperature sensor mounted on a conventional microcomputer, for example, a voltage having a positive temperature characteristic or a negative temperature characteristic and a reference voltage having no temperature dependency generated by any method are used. There is a method of detecting the temperature by comparing these voltages by an analog or digital method in the temperature sensor. As the voltage having the positive temperature characteristic or the negative temperature characteristic, for example, the following voltages are used.
負の温度特性を持つ電圧、すなわち温度の増加に対して減少する特性を持つ電圧としては、CMOSプロセスによりシリコン上に形成したウェル間の寄生ダイオードや寄生バイポーラトランジスタ等をダイオードとして利用し、当該ダイオードに流し込む電流により生じる当該ダイオードの両端の電圧が利用される。また、正の温度特性を持つ電圧、すなわち温度の増加に比例して増加する特性を電圧としては、上記の方法と同様にダイオードに電流を流し込むことによって生じた両端の電圧について、流し込む電流の値を変えたときの夫々の電圧の差を取った差電圧が利用される。また、正の温度特性を持つ電圧の他の例としては、前記寄生バイポーラトランジスタのエミッタ面積が異なるものを2つ用いて、2つのバイポーラトランジスタの夫々に同じ値の電流を流し込んだ場合に表れるベース・エミッタ間の電圧の差を取り、その差電圧を利用する場合もある。 As a voltage having a negative temperature characteristic, that is, a voltage that decreases with increasing temperature, a parasitic diode or a parasitic bipolar transistor between wells formed on silicon by a CMOS process is used as a diode. The voltage across the diode generated by the current flowing in is used. In addition, a voltage having a positive temperature characteristic, that is, a voltage that increases in proportion to an increase in temperature, is the value of the current that flows into the voltage at both ends generated by flowing a current into the diode as in the above method. The difference voltage obtained by taking the difference between the respective voltages when changing is used. Another example of a voltage having a positive temperature characteristic is a base that appears when two parasitic transistors having different emitter areas are used and the same current flows into each of the two bipolar transistors.・ In some cases, the voltage difference between the emitters is taken and the difference voltage is used.
これらの電圧は温度に対して比較的線形性の高いものである。しかしながら、実際は2次以上の非線形成分をもっており、これが温度検知の精度を劣化させる要因となっている。また、CMOSプロセスによりシリコン上に形成されたデバイス(MOSトランジスタ、抵抗、容量、バイポーラトランジスタ、ダイオード等)は、プロセスばらつきや電源電圧の変動等によって、素子特性の絶対値及び相対値にばらつきが生ずることが一般に知られているが、これらも温度検知の精度を劣化させる要因となる。そこで、プロセスばらつき等による温度検知の精度の劣化を低減するため、チップ毎にばらつき等を補正するトリミングといった手法が利用されることが多い。また、温度検知の際に、ハードウェアまたはソフトウェア的な手法によって温度を補正する演算を行い、検出精度の向上を図る方法もある。温度を補正する演算に関しての従来の方法としては例えば、下記の特許文献1乃至特許文献3において開示がある。
These voltages are relatively linear with respect to temperature. However, actually, it has a second-order or higher-order nonlinear component, and this is a factor that degrades the accuracy of temperature detection. In addition, devices (MOS transistors, resistors, capacitors, bipolar transistors, diodes, etc.) formed on silicon by the CMOS process have variations in absolute values and relative values of element characteristics due to process variations and power supply voltage variations. However, these are also factors that degrade the accuracy of temperature detection. Therefore, in order to reduce deterioration in temperature detection accuracy due to process variations or the like, a technique such as trimming that corrects variations or the like for each chip is often used. Also, there is a method of improving the detection accuracy by performing a calculation for correcting the temperature by a hardware or software method at the time of temperature detection. For example,
特許文献1の温度センサ回路を有する半導体装置は、実温度測定回路を更に有し、当該実温度測定回路で測定した温度を真の温度とし、その温度と温度センサ回路の出力値との対応関係に基づいて、温度センサ回路による測定温度を補正して出力するものである。予め経験により求められた温度センサ回路の出力値と温度との対応関係を示す理想計算式から、所定の温度における理論上の温度センサ回路の出力値を求め、その出力値とその温度における実際の温度センサ回路の出力値との差分を求め、その差分を補正データとする。そして、温度測定の際には、前記温度センサ回路の出力値に前記補正データを加減算した値を測定値として出力する。
The semiconductor device having the temperature sensor circuit of
特許文献2の温度センサ回路を有する半導体装置は、温度センサ回路として使用するダイオードの両端の電圧と温度との関係を表す補正関数を用いて温度センサ回路による測定温度の補正を行うものである。予め、半導体装置とは別に設置された温度測定装置によって温度を測定し、その測定した温度を真の温度として、そのときの前記ダイオードの両端の電圧を測定する。前記電圧値は2点の温度において測定され、それらの測定されたデータから前記電圧値と温度との一次関数を導き出し、それを補正関数とする。そして、温度測定の際には、前記補正関数を用いて前記温度センサ回路の前記電圧値を温度に換算し、その温度を測定値として出力する。
The semiconductor device having the temperature sensor circuit of
特許文献3の温度センサ回路を有する半導体装置は、温度センサ回路の出力値に対応する補正データをチップ外部で予め作成し、実動作において、前記出力値でアドレッシングした当該補正データを測定温度として出力するものである。すなわち、当該半導体装置とは別に設置された温度測定装置によって温度を測定し、その温度を真の温度として、そのときの温度センサ回路の電源電圧及び出力値のデータを予め取得する。前記補正データは取得されたデータに基づいて作成される。温度測定の際には、温度センサ回路の出力値でアドレッシングされる補正データを測定温度として出力する。なお、温度補正の精度は、補正データ作成時において設定する温度及び電源電圧の設定数に応じたデータの取得数で決まる。
The semiconductor device having the temperature sensor circuit of
しかしながら、上述した従来の方法では、発明者が考えるところ、以下のような問題がある。 However, in the conventional method described above, the inventors consider the following problems.
第1に、特許文献1に記載の温度補正の方法では、温度センサ回路と同一シリコン上にある実温度測定回路によって測定した温度を真の温度としているが、シリコンのプロセスばらつき等を考えると、当該測定した温度は、真の温度としての信頼性に欠ける。また、温度の補正方法として温度センサ回路の出力値に補正データを加減算する方法を採用しているが、加減算のみの演算では、温度の補正に関して十分な精度が得られない。
First, in the temperature correction method described in
第2に、特許文献2に記載の温度補正の方法では、補正のために温度センサが出力する電圧と温度との関係を一次関数で表しているが、前述のように、実際は二次以上の非線形成分が存在するため、温度の補正に関して十分な精度が得られない。
Secondly, in the temperature correction method described in
第3に、特許文献3に記載の温度補正の方法では、温度の補正の精度を上げるため、補正データの作成に際して関数を用いた演算をせずに、テスタを用いて温度及び電源電圧を複数パターン設定し、LSI毎に個別にデータを取得しなければならないので現実的ではない。
Third, in the temperature correction method described in
これらの問題を解決するために、二次以上の補正関数や乗算等による演算によって温度の補正を行う方法が考えられるが、当該方法を半導体装置に搭載する場合には、乗算器等のハードウェアを追加する必要があり、ハードウェアの実装量が増加してしまう。さらに、これらのハードウェアは、前記補正関数等の算出方法の変更、顧客要望に応じた検知する温度の精度の変更、及びプロセスの移行等の際には再設計する必要があり、柔軟に対応することができない。 In order to solve these problems, a method of correcting the temperature by a secondary or higher-order correction function or a calculation by multiplication or the like can be considered. However, when the method is mounted on a semiconductor device, hardware such as a multiplier is used. Need to be added, increasing the amount of hardware implementation. In addition, these hardware needs to be redesigned when changing the calculation method of the correction function, etc., changing the accuracy of the detected temperature according to the customer's request, and changing the process, etc. Can not do it.
本発明の目的は、搭載された温度センサによる測定温度の補正の精度を向上させ、設計変更等に柔軟に対応できる半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can improve the accuracy of correction of a measured temperature by a mounted temperature sensor and can flexibly cope with a design change or the like.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
すなわち、半導体装置は、温度センサ部で測定した温度データと温度との理想的な対応関係を示す特性関数を、前記温度センサ部で測定した温度と実際の温度との誤差を示す補正係数で修正した特性修正関数の逆関数を用いて、温度毎に前記温度データを演算し、当該演算した温度データを温度毎に対応させて保持する補正テーブルを生成する。温度測定の際には、前記温度センサ部で測定した前記温度データを前記補正テーブルから検索し、検索された温度データに対応される温度のデータを出力する。 That is, the semiconductor device corrects the characteristic function indicating the ideal correspondence between the temperature data measured by the temperature sensor unit and the temperature with a correction coefficient indicating an error between the temperature measured by the temperature sensor unit and the actual temperature. Using the inverse function of the characteristic correction function, the temperature data is calculated for each temperature, and a correction table for holding the calculated temperature data corresponding to each temperature is generated. At the time of temperature measurement, the temperature data measured by the temperature sensor unit is searched from the correction table, and temperature data corresponding to the searched temperature data is output.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、温度センサによる測定温度の補正の精度を向上させ、設計変更等に柔軟に対応できる。 That is, it is possible to improve the accuracy of correction of the measured temperature by the temperature sensor and flexibly cope with a design change.
1.実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
1. First, an outline of a typical embodiment of the invention disclosed in the present application will be described. Reference numerals in the drawings referred to in parentheses in the outline description of the representative embodiments merely exemplify what are included in the concept of the components to which the reference numerals are attached.
〔1〕本発明の代表的な実施の形態に係る半導体装置(1〜4)は、半導体基板に、温度センサ部(31、39)、温度補正制御部(32)、データ処理部(13)及びメモリ部(20)を備えた半導体装置であって、前記メモリ部は、前記温度センサ部で測定した温度データと温度との理想的な対応関係を示す特性関数と、前記温度センサ部で測定した温度と実際の温度との誤差を示す補正係数とを格納するための記憶領域を有し、前記データ処理部は、前記特性関数を補正係数で修正した特性修正関数の逆関数を用いて、温度毎に前記温度データを演算し、当該演算した温度データを温度毎に対応させて保持する補正テーブル(33)を生成し、前記温度補正制御部は、前記補正テーブルから読み出した温度データが前記温度センサ部で測定した温度データと一致する場合に、当該温度データに対応される温度のデータを出力する。これによれば、予め前記補正係数のみを算出して格納すれば、LSI毎の前記特性修正関数を生成することができ、当該特性修正関数の逆関数を用いることで、前記半導体装置が自ら、容易に前記補正テーブルを作成することができる。また、当該補正テーブルを用いた補正を行うから、より精度の高い測定温度の補正が可能となる。 [1] A semiconductor device (1 to 4) according to a typical embodiment of the present invention includes a temperature sensor unit (31, 39), a temperature correction control unit (32), and a data processing unit (13) on a semiconductor substrate. And a memory unit (20), wherein the memory unit has a characteristic function indicating an ideal correspondence between temperature data measured by the temperature sensor unit and temperature, and is measured by the temperature sensor unit. A storage area for storing a correction coefficient indicating an error between the measured temperature and the actual temperature, and the data processing unit uses an inverse function of a characteristic correction function obtained by correcting the characteristic function with a correction coefficient, The temperature data is calculated for each temperature, a correction table (33) for holding the calculated temperature data corresponding to each temperature is generated, and the temperature correction controller reads the temperature data read from the correction table as the temperature data. In the temperature sensor When matching the boss was temperature data, and outputs the data of the temperature corresponding to the temperature data. According to this, if only the correction coefficient is calculated and stored in advance, the characteristic correction function for each LSI can be generated, and by using the inverse function of the characteristic correction function, the semiconductor device itself, The correction table can be easily created. In addition, since the correction using the correction table is performed, the measurement temperature can be corrected with higher accuracy.
〔2〕項1の半導体装置において、前記温度補正制御部は、前記補正テーブルから候補のデータによってアドレッシングした温度データを読み出し、当該温度データと前記温度センサ部で測定した前記温度データとが一致するまで候補のデータを更新してアドレッシングを繰り返し、一致したらそのときの候補のデータに対応される温度のデータ(34)を出力する。 [2] In the semiconductor device of [1], the temperature correction control unit reads temperature data addressed by candidate data from the correction table, and the temperature data matches the temperature data measured by the temperature sensor unit. The candidate data is updated until addressing is repeated, and if they match, the temperature data (34) corresponding to the candidate data at that time is output.
〔3〕項1又は項2の半導体装置において、前記補正係数は、所定の温度範囲において前記温度センサ部で測定した温度と実際の温度との誤差を示すものである。これによれば、精度よく温度の補正をしたい温度範囲に特化した特性修正関数を得ることができる。 [3] In the semiconductor device of [1] or [2], the correction coefficient indicates an error between a temperature measured by the temperature sensor unit and an actual temperature in a predetermined temperature range. According to this, it is possible to obtain a characteristic correction function specialized in the temperature range for which temperature correction is desired with high accuracy.
〔4〕項1乃至3の何れか1項の半導体装置において、前記データ処理部は、リセット信号により指示される初期化処理において、又は最初の温度測定に際して前記補正テーブルを作成する。これによれば、リセット信号による初期化処理後に、前記データ処理部が前記補正テーブルを作成する負担を低減することができる。 [4] In the semiconductor device of any one of [1] to [3], the data processing unit creates the correction table in an initialization process instructed by a reset signal or at the first temperature measurement. According to this, it is possible to reduce the burden of the data processing unit creating the correction table after the initialization process using the reset signal.
〔5〕項1乃至4の何れか1項の半導体装置において、前記温度補正制御部は、前記温度のデータに基づいて割り込み信号を出力する。これによれば、前記データ処理部等が熱暴走をしたとしても、前記データ処理部等に対して初期化等を行うことができる。 [5] In the semiconductor device according to any one of [1] to [4], the temperature correction control unit outputs an interrupt signal based on the temperature data. According to this, even if the data processing unit or the like performs a thermal runaway, the data processing unit or the like can be initialized.
〔6〕項1乃至5の何れか1項の半導体装置において、前記データ処理部と前記温度補正制御部からのデータ転送の要求に応じてデータ転送制御を行う転送制御部(40)を更に有し、前記温度補正制御部は、前記温度のデータを一時的に蓄積し、所定のタイミングで前記転送制御部に対しデータ転送の要求(12)を与え、前記転送制御部は、当該要求に従い前記温度補正制御部に蓄積された前記温度のデータを前記メモリ部に転送する制御を行う。これによれば、測定温度の履歴を記録することができる。
[6] The semiconductor device according to any one of
〔7〕項1乃至6の何れか1項の半導体装置において、温度を測定するためのダイオード(60)を更に有し、前記実際の温度は、前記ダイオードに外部から電流を流し込んだときの電圧と、当該電流のn倍(nは1より大きい数)の電流を流し込んだときの電圧との差分を用いて算出した温度である。これによれば、半導体装置の周辺温度ではなく、半導体装置内部の温度を実際の温度とするから、測定精度がより高くなる。 [7] The semiconductor device according to any one of [1] to [6], further including a diode (60) for measuring temperature, wherein the actual temperature is a voltage when a current is supplied from the outside to the diode. And the temperature calculated using the difference between the current and the voltage when n times the current (n is greater than 1) is supplied. According to this, since the actual temperature is not the ambient temperature of the semiconductor device but the temperature inside the semiconductor device, the measurement accuracy is further increased.
〔8〕項1乃至7の何れか1項の半導体装置において、抵抗値のばらつきを測定するための抵抗(70)を更に有し、所定の温度において所定の電流を前記抵抗に流し込んだときの当該抵抗の両端の電圧値から算出される抵抗のばらつき幅に対応する前記特性関数が、前記メモリ部に格納される。これによれば、抵抗のばらつきに応じた前記特性関数に基づいて前記補正テーブルを作成するから、より精度の高い温度補正が可能となる。 [8] The semiconductor device as described in any one of [1] to [7], further including a resistor (70) for measuring a variation in resistance value, wherein a predetermined current is supplied to the resistor at a predetermined temperature. The characteristic function corresponding to the resistance variation width calculated from the voltage values at both ends of the resistor is stored in the memory unit. According to this, since the correction table is created based on the characteristic function corresponding to the variation in resistance, temperature correction with higher accuracy is possible.
〔9〕項1乃至8の何れか1項の半導体装置において、半導体装置内の複数箇所の温度を測定するためのダイオード(80_1〜80_4)を複数個さらに有し、前記温度補正制御部は、前記ダイオードによって測定した夫々の箇所の温度データについて、前記温度センサ部で測定した前記測定温度データに対する相対温度データを算出し、当該相対温度データに基づいて前記ダイオードによって測定した夫々の箇所の温度のデータを出力する。これによれば、温度センサ部を複数個内蔵することなくチップ内の複数箇所の温度の測定が可能となり、温度勾配や温度分布を知ることができる。
[9] In the semiconductor device according to any one of
〔10〕本発明の代表的な実施の形態に係る半導体装置(1〜4)は、半導体基板に、温度センサ部(31、39)、及びデータ処理部(13)を備えた半導体装置であって、前記データ処理部は、前記温度センサ部で測定した温度データと温度との理想的な対応関係を示す特性関数と、前記温度センサ部で測定した温度と実際の温度との誤差を示す補正係数とを入力し、前記特性関数を補正係数で修正した特性修正関数の逆関数を用いて、温度毎に前記温度データを演算し、当該演算した温度データを温度毎に対応させて保持する補正テーブル(33)を生成し、前記補正テーブルは、候補のデータをインデックスとして検索された補正前の温度データを出力可能にする。これによれば、項1と同様の作用を奏する。
[10] A semiconductor device (1 to 4) according to a typical embodiment of the present invention is a semiconductor device including a temperature sensor (31, 39) and a data processing unit (13) on a semiconductor substrate. The data processing unit includes a characteristic function indicating an ideal correspondence between the temperature data measured by the temperature sensor unit and the temperature, and a correction indicating an error between the temperature measured by the temperature sensor unit and the actual temperature. A correction is performed by inputting a coefficient, calculating the temperature data for each temperature using an inverse function of the characteristic correction function obtained by correcting the characteristic function with a correction coefficient, and holding the calculated temperature data corresponding to each temperature. A table (33) is generated, and the correction table enables output of temperature data before correction searched using candidate data as an index. According to this, there exists an effect | action similar to claim |
2.実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。
2. Details of Embodiments Embodiments will be further described in detail.
≪本発明に係るマイクロコンピュータの概要≫
図1は、本発明に係る半導体装置の一実施の形態として、温度センサを内蔵した、自動車用のデータ処理等を行うマイクロコンピュータの詳細な説明図である。図1における半導体装置1は、特に制限されないが、公知のCMOS集積回路の製造技術によって1個の単結晶シリコンのような半導体基板に形成されている。
<< Outline of microcomputer according to the present invention >>
FIG. 1 is a detailed explanatory diagram of a microcomputer for carrying out automobile data processing and the like, incorporating a temperature sensor, as an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. The
図1に示される半導体装置1は、CPU13、温度センサ回路30、及び後述するその他の回路から構成され、温度検知の際に内部の温度センサ回路30において測定された温度を補正テーブル33に基づいて補正して出力する。なお、前記補正テーブル33とは、詳細は後述するが、補正後の温度データをインデックスとして補正前の温度データを検索可能に格納しているものである。すなわち、前記半導体装置1において温度検知を行う際には、前記温度センサ回路30が、前記CPU13によって予め作成された前記補正テーブル33から候補となる補正後の温度データによってアドレッシングした補正前の温度データを読み出す。そして、前記温度センサ回路30は、当該補正前の温度データと当該温度センサ回路30内のセンサ部31で測定した温度データとが一致するまで候補の補正後の温度データを更新してアドレッシングを繰り返し、一致したら、そのときの候補の補正後の温度データに対応される温度のデータを出力することで測定温度の補正を行う。
The
≪本発明に係るマイクロコンピュータの構成≫
前記半導体装置1は、前述した前記CPU13及び前記温度センサ回路30に加え、割り込みコントローラ部14、転送制御部40、メモリ部20、及びバス50を有し、更に図示されないその他の周辺回路を有する。
<< Configuration of Microcomputer According to the Present Invention >>
In addition to the
前記CPU13は、自動車のエンジン制御等や当該制御等に利用するデータの処理を行う。さらに前記CPU13は、前述のように前記補正テーブル33を作成して温度センサ回路30内のテーブル格納用メモリ38に格納する。
The
前記メモリ部20は、不揮発性メモリ(以下、「NVM(Non Volatile Memory)」という。)22と揮発性メモリ(以下、RAM(Random Access Memory)という。)21を有する。
The
前記NVM22は、前記CPU13にデータ処理等を指示するプログラム等が格納される。また、温度検知において前記補正テーブル33の作成に必要なパラメータである、特性関数の温度変換定数及び補正係数も書き込まれる。前記NVM22としては、例えば、フラッシュメモリ等である。
The
前記特性関数とは、前記温度センサ回路30内のセンサ部31で測定した温度データと温度との理想的な対応関係を表す近似関数であり、前記温度変換定数とはその近似関数のパラメータの一つである。また、前記補正係数は、前記センサ部31で測定した温度と実際の温度との誤差を表すパラメータである。これらのパラメータの詳細については後述する。
The characteristic function is an approximate function representing an ideal correspondence between temperature data measured by the
前記RAM21は、データ処理等においてデータの一時記憶に使用される。前記RAM21としては例えば、SDRAM等である。
The
前記割り込みコントローラ14は他のブロックからの割り込み要求を受けて、前記CPU13に対して割り込みを行う。
The interrupt
前記転送制御部40は、前記CPU13によって転送条件等が設定され、前記CPU13、前記温度センサ回路30、又は図示されないその他の周辺回路からの転送要求に従い、前記メモリ部20に対してデータの転送を行う。前記転送制御部40は、例えば、DMAC(Direct Memory Access Controller)である。
The
前記温度センサ回路30は、センサ部31、温度補正制御部32、バスインターフェイス部37、及びテーブル格納用メモリ38を有する。
The
前記温度センサ回路30は、前記CPU13等の温度検知の要求により、前記センサ部31において測定した温度を前記温度補正制御部32によって前記テーブル格納用メモリ38に格納されている補正テーブル33を用いて補正し、前記バスインターフェイス部37を介して出力する。
The
前記センサ部31は、温度電圧変換回路310とAD変換回路311を有する。
The
前記温度電圧変換回路310は、温度依存性を持った2つの基準電圧を出力する。
The temperature
前記温度電圧変換回路310は、例えば、図2に示される回路によって構成される。
The temperature-
図2はバンドギャップリファレンス電圧を利用した温度電圧変換回路310の一例である。
FIG. 2 shows an example of the temperature-
図2に示される温度電圧変換回路310は、バイポーラトランジスタを用いて構成され、温度に対し正の温度依存性を持った基準電圧VPTAT312と、温度依存性が低い基準電圧VREF313とを出力する。なお、前記温度補正制御部32からの制御信号314により、前記温度電圧変換回路310のイネーブル・ディセーブルの切替え等の制御や、前記基準電圧312及び313の温度依存性の調整等が行われる。
The temperature
前記バイポーラトランジスタは、主にCMOSプロセスにおける寄生のバイポーラトランジスタが利用される。図2では、縦型NPNタイプの寄生バイポーラトランジスタ用いている。 As the bipolar transistor, a parasitic bipolar transistor in a CMOS process is mainly used. In FIG. 2, a vertical NPN type parasitic bipolar transistor is used.
図2に示される温度電圧変換回路310の動作原理について説明する。
The operation principle of the temperature-
図2において、1個の寄生バイポーラトランジスタ(TB_NPN_1)のベース(B1)とn個(nは1以上の整数)の寄生バイポーラトランジスタ(TB_NPN_n)のベース(Bn)にOPアンプの出力電圧VREF313を与えることで、寄生バイポーラトランジスタ(TB_NPN_1)のエミッタ(E1)と(TB_NPN_n)のエミッタ(En)に流れる電流の電流密度に差が生じる。この電流密度の差によって、寄生バイポーラトランジスタ(TB_NPN_1)のベース・エミッタ間電圧(VBE_1)と寄生バイポーラトランジスタ(TB_NPN_n)のベース・エミッタ間電圧(VBE_n)の差電圧(ΔVBE_n)が抵抗R3の両端に発生し、当該差電圧は正の温度特性を持つことになる。この差電圧ΔVBE_nを利用して、基準電圧VREF313と、正の温度特性を持つ基準電圧VPTAT312とが生成され、これらの基準電圧は、式(1)及び式(2)で表される。ただし、kはボルツマン定数、qは電子の電荷量、Tは温度である。なお、(式1)に示されるVREF313の値は約1.2Vとなる。
In FIG. 2, the
これらの関数をグラフに表すと図3のようになる。図3は基準電圧VPTAT312及びVREF313の温度特性を表したものである。
These functions are represented in a graph as shown in FIG. FIG. 3 shows the temperature characteristics of the reference voltages VPTAT 312 and
前記AD変換回路311は、前記温度電圧変換回路310が出力するアナログ信号の基準電圧VPTAT312及びVREF313を入力し、所定の温度における前記基準電圧VPTAT312とVREF313の比をjビット(jは1以上の整数)のディジタル信号に変換し、AD変換結果316を出力する。このAD変換結果316が、前記センサ部31による温度の測定データとなる。具体的には図3において、温度τ1、τ2、τ3、τ4を等間隔で取り、夫々の温度に対する基準電圧VPTAT312とVREF313の値をV21〜V24及びV11〜V14としたとき、例えば温度τ1において、電圧比V11/V21をディジタル値に変換し、温度τ2において電圧比V12/V22をディジタル値に変換する。
The
図4は、前記電圧比VREF/VPTATとAD変換結果tとの関係、すなわちAD変換回路311の入出力関係を表したものである。図4において、前記電圧比VREF/VPTATはAD変換結果tに対して非線形となる。これは基準電圧VPTAT312が温度に対して線形な特性であるのに対し、基準電圧VREF313は温度に対して非線形な特性だからである。
FIG. 4 shows the relationship between the voltage ratio VREF / VPTAT and the AD conversion result t, that is, the input / output relationship of the
なお、前記AD変換回路311は、前記温度補正制御部32からの制御信号315により、前記AD変換回路311のイネーブル・ディセーブルの切替え等の制御や、前記AD変換回路311のオフセットによる誤差の調整等が行われる。
The
前記テーブル格納用メモリ38は、例えばSDRAMやレジスタ等の記憶装置であり、前述のように前記CPU13によって作成された前記補正テーブル33が格納される。
The
前記温度補正制御部32は、前記AD変換結果316を前記補正テーブル33に基づいて補正して出力する。
The temperature
前記温度補正制御部32は、制御部329、比較器324、AD変換結果レジスタ320、比較元レジスタ321、温度レジスタ326、及び選択回路327を有する。
The temperature
前記AD変換結果レジスタ320には、前記AD変換回路311から出力された前記AD変換結果316が格納される。
The AD conversion result register 320 stores the
前記温度レジスタ326には、前記AD変換結果316の補正後の温度として候補となる温度のデータが格納される。
The temperature register 326 stores candidate temperature data as the corrected temperature of the
前記選択部327は、前記温度レジスタ326に格納された温度のデータに対応する補正後の温度データをインデックスとして前記補正テーブル33をアドレッシングし、前記補正後の温度データに対応する補正前の温度データを前記比較元レジスタ321に格納する。
The
前記制御部329は、制御ロジック回路330と、後述する補正係数と温度変換定数を一時的に格納するレジスタ332と、測定した温度に対応する補正後の温度データを格納するレジスタバッファ331とを内部に有する。前記制御ロジック回路330は、測定温度の補正に関する動作全般を制御する。
The
≪温度検知における温度補正の具体的な方法≫
ここで、測定温度の補正、すなわち前記制御ロジック回路330による前記AD変換結果316の補正について詳細に説明する。
≪Specific method of temperature correction in temperature detection≫
Here, the correction of the measured temperature, that is, the correction of the
まず、前記半導体装置1の起動後、例えば、前記CPU13は、リセット信号により指示される初期化処理において前記補正テーブル33を作成し、前記テーブル格納用メモリ38に格納する。そして、前記CPU13は、前記温度レジスタ326に初期値を設定する。当該初期値は、前記補正テーブル33に格納されている何れかの補正後の温度データが設定される。例えば、前記補正テーブル33に温度−40℃から160℃までの補正後の温度データが4℃のステップ毎に格納されたものである場合には、温度−40℃に対応する温度のデータが初期値として設定される。
First, after the
次に、前記CPU13が温度検知を前記温度センサ回路30に要求すると、前記制御ロジック回路330が、前記温度レジスタ326に格納されている補正後の温度データを前記選択部327に入力させる。前記選択部327は、受け取った補正後の温度データをインデックスとして前記RAM21に格納されている前記補正テーブル33をアドレッシングし、当該インデックスに対応する補正前の温度データ317を選択して、前記比較元レジスタ321に格納する。また、この際前記AD変換結果レジスタ320には、前記AD変換回路311から出力された前記AD変換結果316が格納される。そして、前記比較器324は、当該AD変換結果レジスタ320に格納された前記AD変換結果316と、前記比較元レジスタ321に格納されている前記補正前の温度データ317とを比較し、一致したか否かを示す比較結果325を前記制御ロジック回路330に対して出力する。前記比較結果325が不一致を示すものである場合には、前記制御ロジック回路330は、前記温度レジスタ326に設定されている候補の温度のデータをインクリメントして、候補となる温度のデータを新たに設定し、当該温度のデータに対応する補正後の温度データを新たなインデックスとして前記選択部327に与える。例えば、前記制御ロジック回路330は、前記温度レジスタ326に初期値として設定されている−40℃を表す温度のデータをインクリメントして、−36℃を表す温度のデータを前記温度レジスタ326に新たに設定する。そして、前記選択部327は−36℃の温度のデータに対応する補正後の温度データをインデックスとして前記補正テーブル33をアドレッシングし、当該補正後の温度データに対応する補正前の温度データを前記比較元レジスタ321に設定する。前記比較元レジスタ321の値が設定されると、前記比較器324は再度比較動作を行い、当該比較結果325を前記制御ロジック回路330に対して出力する。ここで、当該比較結果325が不一致を表すものである場合には、一致を表す比較結果325が出力されるまで、前述した前記温度レジスタ326の値の更新から比較動作までの一連の動作が繰り返し行われる。そして、前記比較器324から一致を表す比較結果325が出力されると、前記制御ロジック回路330は前記温度レジスタ326に設定された候補となる温度のデータの更新を中止し、前記温度レジスタ326に現に設定されている温度のデータ34を前記レジスタバッファ331に格納するとともに、前記バスインターフェイス部37を介して前記CPU13に出力する。
Next, when the
以上の方法により、前記センサ部31で測定された結果が補正されて出力される。
By the above method, the result measured by the
なお、前記制御ロジック回路330は、上述の温度の補正だけでなく前記レジスタバッファ331に格納した温度のデータの値に基づいた割り込み処理も行う。例えば、前記温度のデータが所定の温度を超える温度を表すものであった場合に、前記温度センサ回路30が前記割り込みコントローラ14に対して割り込み要求11を出力し、前記割り込みコントローラ14が割り込信号15を出力することで前記CPU13の初期化や動作周波数の調整を行う。更に、前記制御ロジック回路330は、所定のタイミングで前記転送制御部40に対しデータ転送の要求12を与え、前記レジスタバッファ331に蓄積された前記温度のデータを前記メモリ部20に転送することで測定温度の履歴を記録し、また、前記RAM21に格納したデータを前記NVM22へ退避させる制御も行う。
The
≪補正テーブルの作成方法≫
次に、前記補正テーブル33の作成方法について詳細に説明する。
«How to create a correction table»
Next, a method for creating the correction table 33 will be described in detail.
本実施の形態に係る半導体装置1において、前記補正テーブル33の作成には、前記特性関数の前記温度変換定数と前記補正係数という2つのパラメータに基づく特性修正関数が必要となる。まず、上記パラメータと特性修正関数について説明する。
In the
前述のように、前記温度電圧変換回路310における2つの基準電圧の温度特性は図3に示され、当該基準電圧の比の値とそのAD変換結果との関係は図4のように表される。そして、これらの関係から当該AD変換結果tとチップ温度Tとの関係は、図5のように表される。
As described above, the temperature characteristics of the two reference voltages in the temperature-
図5は、AD変換結果tとチップ温度Tとの対応関係を表した理想曲線200を表したものである。なお、図5におけるチップ温度T1〜T4は図3におけるチップ温度τ1〜τ4と対応した値である。
FIG. 5 shows an
図6は、前記理想曲線200と特性関数201を表したものである。前記特性関数201は、前記理想曲線200を二次以上の関数で数学的に近似した関数である。
FIG. 6 shows the
前記特性関数201は(式3)で表される。
The
ここで、T’は温度を表し、tはAD変換結果を表す。また、an〜a0を前記温度変換定数とし、すべてのチップで共通の値とする。なお、前記温度変換定数an〜a0は、予めメモリ部20の前記NVM22に書き込んでおく。
Here, T ′ represents the temperature, and t represents the AD conversion result. Further, a n to a 0 are set as the temperature conversion constant, and are set to values common to all chips. The temperature conversion constants a n to a 0 are previously written in the
図6に示すように、前記特性関数201を2次以上の近似関数とすれば、前記特性関数201の温度T’1〜T’4と理想曲線における温度T1〜T4との誤差を小さくすることが可能となる。温度検知の際には、前記特性関数201に基づいて前記AD変換結果316を温度に変換すれば、測定温度を精度良く知ることができる。
As shown in FIG. 6, if the
次に、前記特性関数に関するばらつきについて説明する。 Next, the variation regarding the characteristic function will be described.
前述のように、(式3)の特性関数を用いれば、前記AD変換結果を温度に変換することができる。しかし、当該特性関数の基になっている前記理想曲線200は、チップ製造時におけるプロセスのばらつきを無視しており、実際には、プロセスばらつきの影響を受けることとなる。
As described above, the AD conversion result can be converted into temperature by using the characteristic function of (Equation 3). However, the
図7は、チップ温度τとAD変換結果tとの関数についてのプロセスばらつきの影響を表したものである。図7に示されるように、プロセスばらつきの影響により、AD変換結果tとチップ温度τとの理想曲線202は参照符号203に示される範囲内でばらついた特性となる。これは、プロセスばらつきの影響により、前記基準電圧VPTAT312とVREF313の値がばらつくこと、及び前記AD変換回路311によるAD変換結果がばらつくことが原因である。このため、図7において例えば、チップ温度τ1におけるAD変換結果tは、t1を中心値として(t1−δt1)から(t1+δt1)の範囲でばらつくこととなる。この結果を踏まえて、縦軸を温度T’、横軸をAD変換結果tとして、前記特性関数201のばらつき範囲を表したものが図8である。図8において、前記特性関数201は参照符号204に示される範囲内でばらついた特性となる。例えば、温度τ1において前記センサ部31が出力するAD変換結果tは、t1を中心値として(t1−δt1)から(t1+δt1)の範囲内のいずれかの値となる。これらの値を温度に変換すると、T’1を中心値として(T’1−δT’1)から(T’1+δT’1)の範囲の値となり、センサ部31で測定した温度は当該範囲でばらついた値となる。そこで、当該測定温度のばらつきを低減するために、前記半導体装置1では夫々のチップのプロセスばらつきに応じた関数を用いる。具体的には、前記特性関数を夫々のチップ毎に算出した前記補正係数によって修正し、当該修正した関数を用いる。この修正した関数が特性修正関数である。
FIG. 7 shows the influence of process variation on the function of the chip temperature τ and the AD conversion result t. As shown in FIG. 7, due to the influence of process variations, the
前記補正係数は、前述のように、前記センサ部31で測定した温度と実際の温度との誤差を表すパラメータであり、例えば、所定の温度における当該測定した温度と実際の温度との温度差である。前記補正係数は、製品出荷テスト時において後述する方法によりチップ毎に算出され、前記温度変換定数とともに前記メモリ部20の前記NVM22に書き込まれる。
As described above, the correction coefficient is a parameter representing an error between the temperature measured by the
前記特性修正関数は、チップ毎の前記補正係数を用いて(式3)で表される理想的な特性関数を修正したものである。具体的には、前記特性修正関数は、補正後の温度データY、補正前の温度データをX、及び補正係数をAとして、(式4)で表す。 The characteristic correction function is obtained by correcting an ideal characteristic function expressed by (Equation 3) using the correction coefficient for each chip. Specifically, the characteristic correction function is expressed by (Equation 4), with temperature data Y after correction, temperature data before correction X, and correction coefficient A.
なお、AD変換結果tは前記補正前の温度データXを表す。 The AD conversion result t represents the temperature data X before correction.
図9は、この特性修正関数のグラフの一例であり、同一温度条件下において異なるAD変換結果tを出力する2つのチップの夫々の特性修正関数205と特性修正関数206を表したものである。
FIG. 9 is an example of the graph of the characteristic correction function, and shows the
製品出荷テスト時に、温度T2における前記センサ部31の出力が(t2−δt2)であったチップは、温度T2における前記補正係数に基づいた前記特性修正関数205を用い、前記センサ部31のAD変換結果tを補正して測定温度を出力する。また、前記テスト時に温度T2における前記センサ部31の出力が(t2+δt2)であったチップは、温度T2における前記補正係数に基づいた前記特性修正関数206を用い、前記センサ部31のAD変換結果tを補正して出力する。これにより、チップ毎の特性修正関数によってAD変換結果を温度に変換すれば、同一の温度条件下において夫々のチップの前記センサ部31の出力するAD変換結果が異なる場合でも、図9に示すようにチップとしての測定温度のばらつきを抑えることができ、測定精度を上げることができる。なお、図9では、温度T2において算出した前記補正係数を用いた場合であるが、温度T1付近の測定精度を特に上げたい場合には、前記テスト時に温度T1における前記補正係数を算出し、当該補正係数に基づいた前記特性修正関数を用いればよい。
At the time of product shipment test, the chip whose output of the
以上のように、チップ毎に前記特性修正関数を用いれば温度の測定精度を上げることができるが、温度測定の都度、前記CPU13が前記特性修正関数を用いた測定温度の補正演算を行うこととすると、前記CPU13の負荷が増大してしまう。また、前記CPU13が熱暴走した場合には、前記補正演算を行うことができず、割り込み処理等を行うことができなくなってしまう。そこで、本発明に係る半導体装置1は、温度の補正演算を温度測定の都度行うのではなく、予め前記特性修正関数に基づいて前記補正テーブル33を作成しておき、温度測定の際には、当該補正テーブル33を用いて測定温度を補正して出力する。
As described above, if the characteristic correction function is used for each chip, the temperature measurement accuracy can be improved. However, each time the temperature is measured, the
図10に前記補正テーブル33の概略図を示す。前記補正テーブル33は、前述のように補正前の温度データXと補正後の温度データYとの対応関係を表したものであり、(式4)で示される前記特性修正関数の逆関数を用いて、補正後の温度データYからそれに対応する補正前の温度データXを算出する演算により作成される。図10において補正後の温度Yは、Y=y[i]で表し、補正前の温度データXは、X=x[i]で表す。ただし、i=0〜nである。例えば、−40℃から160℃までの測定温度範囲を4℃単位で測定したい場合には、補正後の温度データYを−40℃から160℃とし、当該温度範囲を4℃毎に対応する補正前の温度データXを算出して前記補正テーブル33を作成する。なお、逆関数を用いない場合には、目的とする刻みの温度毎に補正テーブル33を正確に作成することが困難となる。また、補正テーブル33の作成に際し、前述の2つのパラメータを前記メモリ部20に格納しておけば、実際に温度を測定する必要はない。
FIG. 10 shows a schematic diagram of the correction table 33. The correction table 33 represents the correspondence between the temperature data X before correction and the temperature data Y after correction as described above, and uses the inverse function of the characteristic correction function expressed by (Equation 4). Thus, the temperature data Y after correction is generated by calculation for calculating the temperature data X before correction corresponding to the temperature data Y after correction. In FIG. 10, the corrected temperature Y is expressed as Y = y [i], and the temperature data X before correction is expressed as X = x [i]. However, i = 0 to n. For example, when it is desired to measure the measurement temperature range from −40 ° C. to 160 ° C. in units of 4 ° C., the corrected temperature data Y is set to −40 ° C. to 160 ° C., and the temperature range is corrected corresponding to every 4 ° C. The previous temperature data X is calculated and the correction table 33 is created. If the inverse function is not used, it is difficult to accurately create the correction table 33 for each target step temperature. In addition, if the above two parameters are stored in the
前記補正テーブル33の作成手順について図11を用いて説明する。 A procedure for creating the correction table 33 will be described with reference to FIG.
図11は前記補正テーブル33の作成時のフロー図である。 FIG. 11 is a flowchart when the correction table 33 is created.
図11において、まず、前記半導体装置1の起動後の初期化処理において、前記制御部329内の前記レジスタバッファ331及びレジスタ332が初期化される(S101)。その後、前記温度変換定数と前記補正係数が前記NVM22から読み出され、前記レジスタ332に格納される(S102)。前記CPU13は、前記レジスタ332に格納された前記温度変換定数及び前記補正係数に基づいた前記特性修正関数の逆関数を用いて、補正後の温度データYに対応する補正前の温度データXを温度毎に算出して、前記テーブル格納用メモリ38又は前記RAM21に前記補正テーブル33として格納する(S104)。必要とされる補正後の温度の全範囲において前記演算が完了したら、前記補正テーブル33の作成を終了する(S105)。
In FIG. 11, first, in the initialization process after the
≪補正係数の取得方法≫
前述のように、前記補正係数は、製品出荷テスト時においてチップ毎に算出され、前記NVM22に書き込まれる。前記補正係数の具体的な取得方法について説明する。
≪How to obtain correction coefficient≫
As described above, the correction coefficient is calculated for each chip at the time of a product shipment test, and written in the
図12は、製品出荷前テスト時の回路構成の一例である。 FIG. 12 shows an example of a circuit configuration at the time of a test before product shipment.
図12において、テスタ400内の測定対象を設置するためのステージ401上に前記半導体装置1が設置され、前記テスタ400が、当該半導体装置1の前記センサ部31で測定される温度と、前記半導体装置1とは別に設置された高精度温度センサ402によって測定される温度から前記補正係数を算出し、前記半導体装置1のNVM22に書き込む。
In FIG. 12, the
前記半導体装置1は図1に示される半導体装置1と同一であり、説明のために必要な構成要素及び配線等以外は省略している。
The
前記半導体装置1は、I/Oインタフェース407A及び407Bを介して前記テスタ400と接続され、前記センサ部31で測定された測定結果は、前記I/Oインタフェース407Aの一つであるPAD408Aから出力される。
The
前記高精度温度センサ402は前記ステージ401上に設置され、前記ステージ401の温度を測定する。
The high-
前記テスタ400は、測定対象である半導体装置1に対し、前記I/Oインタフェース407A及び407Bを介して任意のDC又はACの電圧及び電流を印加するとともに、前記ステージ401の温度を調整することで、様々な温度条件下における前記半導体装置1の特性を調べる試験装置である。
The
前記テスタ400は、熱源となる発熱/冷却装置406と、記憶部404と、システム制御部403と、モニタ405を備える。
The
前記記憶部404は、前記センサ部31の測定結果と前記高精度温度センサ402の測定結果等を格納する記憶領域を有し、前記システム制御部403によって算出される補正係数や前記温度変換定数等も格納する。
The
前記システム制御部403は、前記発熱/冷却装置406を制御して前記ステージ401の温度を調整する。
The
更に、前記システム制御部403は、前記補正係数の算出、前記記憶部404への前記補正係数及び前記測定結果の格納、並びに前記補正係数等の前記NVM22への書き込み等の制御を行う。なお、前記補正係数等の前記NVM22への書き込み制御は、前記半導体装置1が、前記センサ部31の測定結果と前記高精度温度センサ402の測定結果等を用いることで実施することも可能である。
Further, the
前記システム制御部403は、前記高精度温度センサ402で測定した温度を真の温度とし、前記センサ31で測定したチップの温度と前記真の温度との比を取ることで前記補正係数Aを算出する。また、前記特性修正関数の具体例として式(4)を示したが、前記特性修正関数の他の例として下記の式(5)に示す関数を使用する場合には、前記高精度温度センサ402で測定した温度を真の温度とし、前記センサ31で測定したチップの温度と前記真の温度との差を取ることで補正係数Bを算出する。
The
なお、前記補正係数A、前記補正係数B、又はその他適用される前記特性修正関数に適した補正係数は、前記温度センサ部で測定した温度と実際の温度との誤差を示す補正係数と称する。 The correction coefficient A, the correction coefficient B, or other correction coefficient suitable for the applied characteristic correction function is referred to as a correction coefficient indicating an error between the temperature measured by the temperature sensor unit and the actual temperature.
前記モニタ405は、測定結果やテスタ400の制御状態等を表示するものである。
The
図12に示される装置による前記補正係数の取得の流れについて図13を用いて説明する。 The flow of obtaining the correction coefficient by the apparatus shown in FIG. 12 will be described with reference to FIG.
図13は、前記半導体装置1についての前記補正係数の取得から温度検知までの流れを示すフロー図である。
FIG. 13 is a flowchart showing a flow from acquisition of the correction coefficient to temperature detection for the
初めに、前記テスタ400内のステージ401上に半導体装置1をセットする(S201)。前記システム制御部403は、前記発熱/冷却装置406を制御して所望の温度に設定する。前記所望の温度は、前記温度センサ回路30の測定精度を特に向上させたい温度範囲における所定の温度である。そして、ステージ401上の前記高精度温度センサ402と前記半導体装置1とが均一の温度状態となる時間の経過後、前記テスタ400は、前記高精度温度センサ402により測定した温度の測定結果を前記記憶部404に格納するとともに(S202_1)、前記半導体装置1内のセンサ部31で測定した温度の測定結果を前記記憶部404に格納する(S202_2)。前記システム制御部403は、当該測定結果を基に前記補正係数を演算し、前記半導体装置1内の前記NVN22に書き込み(S203)、テストを終了する(S204)。
First, the
≪温度検知時の動作の流れ≫
次に、温度検知時の動作の流れについて、図13を用いて説明する。
≪Operation flow at temperature detection≫
Next, the flow of operation during temperature detection will be described with reference to FIG.
図1において前記半導体装置1の動作中に前記CPU13等から温度検知の要求36があると、前記温度センサ回路30が温度の測定を開始する(S205)。このとき、前記制御部329は、前記補正テーブル33が作成され、前記テーブル格納用メモリ38に格納されているか否かを確認する(S206)。前記補正テーブル33が作成されていない場合には、前記制御部329が前記CPU13に対し前記補正テーブルの作成の要求35を行い、前記CPU13は前記補正テーブル33を作成して前記テーブル格納用メモリ38に格納するとともに(S100〜S105)、前記温度レジスタ326に候補となる温度のデータの初期値を設定する。なお、前記半導体装置1のパワーオンリセット時の初期化処理において、前記CPU13が前記補正テーブル33を作成している場合には、温度検知を行う際の前記補正テーブル33の作成は不要である。
In FIG. 1, when there is a
次に、前記センサ部31が前記基準電圧の比を前記AD変換回路311によってAD変換し、当該AD変換結果を前記AD変換結果レジスタ320に格納するとともに、前記選択部327が前記温度レジスタ326に初期設定された温度のデータに対応する補正後の温度データをインデックスとしてアドレッシングし、対応する補正前の温度データを前記比較元レジスタ321に格納する(S207)。そして、前記比較器324によって前述の比較動作が行われ、前記AD変換結果316と前記補正前の温度データ317が一致するまで前記制御ロジック回路330は前記温度レジスタ326の更新を繰り返す(S208)。前記AD変換結果316と前記補正前の温度データ317が一致したら、前記制御ロジック回路330は、前記温度レジスタ326に格納されている温度のデータを前記レジスタ332に格納するとともに、前記CPU13に出力する(S209)。
Next, the
以上のように、前記半導体装置1によれば、出荷テスト時に前記補正係数と前記温度変換定数を格納しておけば、前記半導体装置1が、自ら容易に前記補正テーブル33を作成することができ、当該補正テーブル33を用いた補正を行うことでより精度の高い測定温度の補正が可能となる。また、前記補正テーブル33の作成に際し、内蔵されている前記CPU13により2次以上の関数で表現された前記特性修正関数の逆関数を用いた演算を行うから、乗算器等の専用のハードウェアを追加することなく実現することができ、設計変更等にも柔軟に対応することができる。更には、前記補正テーブル33の作成は起動時における初期化処理において、又は温度検知の開始時において行われるから、前記CPU13の負担を低減することができ、且つ前記CPU13等が熱暴走をしたとしても、前記制御部329が補正された測定温度に基づいて、前記CPU13等に対して初期化等を行うことができる。
As described above, according to the
≪サーマルダイオードの内蔵≫
図14は、本発明に係る半導体装置の別の実施の形態として、温度センサを内蔵した、自動車用のデータ処理等を行うマイクロコンピュータの詳細な説明図である。図14における半導体装置2は、特に制限されないが、公知のCMOS集積回路の製造技術によって1個の単結晶シリコンのような半導体基板に形成されている。
≪Built-in thermal diode≫
FIG. 14 is a detailed explanatory diagram of a microcomputer for carrying out data processing and the like for an automobile, incorporating a temperature sensor, as another embodiment of the semiconductor device according to the present invention. The
前述の半導体装置1では、出荷前テスト時において前記補正係数を取得する際に、前記半導体装置1の外部に設置した高精度温度センサ402により測定したステージ401上の温度を真の温度とした。図14に示す半導体装置2は温度を測定するためのサーマルダイオード60を更に有し、当該サーマルダイオード60で測定したチップ内部の温度を真の温度として前記補正係数を算出する。
In the
前記半導体装置2について、前記半導体装置1と同様の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、図14においては説明に必要な構成要素のみを表示している。
Regarding the
前記サーマルダイオード60は、温度センサ回路41内の前記温度電圧変換回路310の近傍に配置される。前記サーマルダイオード60には、ダイオード接続した寄生のバイポーラトランジスタを用いる。当該サーマルダイオード60のベース端子とコレクタ端子は短絡されてPAD409Aと接続され、エミッタ端子はPAD409Bと接続される。
The
≪サーマルダイオードによる温度の測定方法≫
前記サーマルダイオード60による温度の測定の方法について説明する。
≪Method of measuring temperature with thermal diode≫
A method for measuring the temperature by the
前記半導体装置2では、前記サーマルダイオード60に電流を流すことで発生するベース・エミッタ間電圧VBEを利用し、流し込む電流の値を変えたときの夫々の電流に対応する前記ベース・エミッタ間電圧VBEの差電圧を利用することで温度を測定する。すなわち、温度Td1において、当該サーマルダイオード60に電流I0を流し込んだときのベース・エミッタ間電圧をVBE0とし、電流I0のn倍の電流nI0を流し込んだときのベース・エミッタ間電圧をVBEnとしたとき、それらの電圧の差電圧ΔVBEは式(6)で表され、温度Td1は式(7)で表される。前記半導体装置2では、前記サーマルダイオード60に流す電流の比と差電圧ΔVBEを測定することで、(式7)を用いて温度Tを算出する。
In the
当該測定の具体的な方法について、図15を用いて説明する。 A specific method of the measurement will be described with reference to FIG.
図15は、前記半導体装置2について製品出荷前テストを行うための回路構成の一例である。
FIG. 15 shows an example of a circuit configuration for performing a pre-product shipment test on the
図15において、テスタ500内の測定対象を設置するためのステージ401上に前記半導体装置2が設置され、前記テスタ500が、当該半導体装置2の前記センサ部31で測定された温度と、前記サーマルダイオード60で測定された温度から前記補正係数を算出し、前記NVM22に書き込む。
In FIG. 15, the
図15における前記テスタ500について前記テスタ400と同様な構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
In the
前記テスタ500は、電流源回路501と、マルチメータ502を更に有する。
The
前記電流源回路501は、システム制御部504によりスイッチSW1とスイッチSW2とが切り替えられ、前記サーマルダイオード60のベース端子にPAD409Aを介して電流I0又は電流nI0を流し込む。
In the current source circuit 501, the switch SW1 and the switch SW2 are switched by the
前記マルチメータ502は、前記電流源回路501から流れる電流I0及び電流nI0の電流値を測定するとともに、当該電流を流したときのPAD409AとPAD409Bとの間の電位差、すなわち前記サーマルダイオード60のベース・エミッタ間電圧VBEを測定する。
The
記憶部503には、前記マルチメータ502で測定したサーマルダイオード60の電流I0及び電流nI0と、当該夫々の電流値における前記サーマルダイオードのベース・エミッタ間電圧VBE0及びVBEnを格納する。
The
前記システム制御部504は、前記記憶部503に格納された前記電流の値及び前記ベース・エミッタ間電圧の値から、(式7)を用いて温度を算出し、前記記憶部503に格納する。なお、その他の機能は前記システム制御部403と同様である。
The
前記サーマルダイオード60による温度測定の流れについて、図16を用いて説明する。
A flow of temperature measurement by the
図16は、前記サーマルダイオード60によるチップ温度の測定のフロー図である。
FIG. 16 is a flowchart for measuring the chip temperature by the
まず、前記テスタ500における前記システム制御部504は、前記発熱/冷却装置406を制御して所望の温度に設定する(S301)。前記所望の温度の設定は、前記テスタ400の場合と同様である。そして、前記半導体装置1の温度状態が安定するのに十分な時間の経過後、前記システム制御部504は前記電流源回路501を制御して電流I0を前記サーマルダイオード60に流し込み、前記マルチメータ502はそのときの前記ベース・エミッタ間電圧VBE0を測定し、当該ベース・エミッタ間電圧VBE0及び電流I0の値が前記記憶部503に格納される(S302)。この際、前記テスタ500は、当該ベース・エミッタ間電圧VBE0が、プロセスの管理幅に収まっているか否かを判定する(S303)。すなわち、当該半導体装置2におけるバイポーラトランジスタのベース・エミッタ間電圧VBE0が、プロセスに許容されるばらつき幅に収まっているか否かを調べる。前記ベース・エミッタ間電圧VBE0がプロセス管理幅から外れていた場合には(S304)、当該半導体装置2をサンプルから除外する(S305)。前記プロセス管理幅に収まっている場合には、前記システム制御部504は前記電流源回路501を制御して電流nI0を前記サーマルダイオード60に流し込み、前記マルチメータ502はそのときの前記ベース・エミッタ間電圧VBEnを測定し、当該ベース・エミッタ間電圧VBEnと電流nI0の値が前記記憶部503に格納される(S306)。次に、前記システム制御部504は、前記記憶部503に格納された前記ベース・エミッタ間電圧VBE0とVBEnに基づいて差電圧ΔVBEを算出し(S307)、当該差電圧ΔVBEに基づき温度Td1を算出するとともに前記記憶部503に格納して(S308)、温度測定を終了する(S309)。
First, the
以上の方法により、前記サーマルダイオード60を用いることで前記半導体装置2のチップの温度を精度良く測定することが可能となる。
With the above method, it is possible to accurately measure the temperature of the chip of the
≪サーマルダイオードによる測定温度を用いた補正係数の算出方法≫
前記半導体装置2において、前記サーマルダイオード60によって測定した温度を利用した前記補正係数の算出方法について図17を用いて説明する。
≪Calculation method of correction coefficient using temperature measured by thermal diode≫
A method for calculating the correction coefficient using the temperature measured by the
図17は、前記サーマルダイオード60による測定温度を用いた前記補正係数の算出時のフロー図である。
FIG. 17 is a flowchart when calculating the correction coefficient using the temperature measured by the
まず、図16と同様に、前記テスタ500における前記システム制御部504は、前記発熱/冷却装置406を制御して所望の温度に設定する(S301)。そして、前述の方法により、前記サーマルダイオード60を用いて温度を測定し(S302〜S309)、チップ内の温度Td1を得る(S401)。併せて、前記システム制御部504は、前記記憶部503から前記特性関数の前記温度変換定数を読み出す(S402)。ここでは、前記特性関数を2次関数とした場合を例とし、前記温度変換定数a2〜a0を読み出す。次に前記半導体装置2における前記センサ部31で測定した温度のAD変換結果tが、PAD408Aを介して出力され、前記記憶部503に格納される(S403)。前記システム制御部504は、前記特性修正関数を用いることで当該記憶部503に格納された前記AD変換結果tから温度Td0を算出して前記記憶部503に書き込み(S404)、測定結果Td0を得る(S405)。このときの特性修正関数は、前記補正係数Aを“1”とし、前記温度変換定数a2〜a0を用いる。
First, similarly to FIG. 16, the
そして、前記サーマルダイオード60で測定した温度Td1と前記センサ部31で測定した温度Td0が求まると、前記システム制御部504は、夫々の値の比較を行う(S406)。当該比較において、温度Td1と温度Td0が等しいか否かを判定し(S407)、等しい場合には補正が不要と判断され(S408)、補正係数Aを“1”に決定し(S412)、テストが終了する(S413)。ステップ407において、前記比較結果が等しくなかった場合には、温度Td1が温度Td0よりも大きいか否かを判定する(S409)。温度Td1が温度Td0よりも大きい場合、前記補正係数Aには“1”より大きい値が必要と判断され(S410)、前記補正係数Aは“1”より大きい値に決定され(S412)、テストが終了する(S413)。また、ステップ409において、温度Td1が温度Td0よりも小さい場合には、前記補正係数Aには“1”より小さい値が必要と判断され(S411)、前記補正係数Aは“1”より小さい値に決定され(S412)、テストが終了する(S413)。
When the temperature Td1 measured by the
なお、図17のフロー図において前記補正係数Aの決定に際し、温度Td0の算出、及び温度Td0と温度Td1との比較の作業は1回だけ行う場合を例に説明したが、前記補正係数Aの精度をより向上させたい場合には、次のような方法を採用してもよい。例えば、ステップ410又はステップ411の後に、前記補正係数Aの値を変更して、再度温度Td0の値を算出し、当該算出した温度Td0と温度Td1の比較する作業を複数回行って、前記補正係数Aの値を決定する方法を採用してもよい。
In the flow chart of FIG. 17, when the correction coefficient A is determined, the calculation of the temperature Td0 and the comparison between the temperature Td0 and the temperature Td1 are described as an example. When it is desired to improve the accuracy, the following method may be employed. For example, after
≪サーマルダイオードの配置≫
前記半導体装置2における前記サーマルダイオード60は、前述のように、寄生バイポーラトランジスタを利用している。
«Placement of the thermal diode»
As described above, the
図18は、バイポーラトランジスタのダイオード接続を表したものである。 FIG. 18 shows diode connection of a bipolar transistor.
バイポーラトランジスタは一般的に、PNPタイプ及びNPNタイプという2種類の素子構造を持つ。CMOSプロセスにおいて作成される寄生のバイポーラトランジスタには、CMOSプロセスのウェル形成の過程により、PタイプのウェルとNタイプのウェルを不純物の拡散又は注入の方向と同じ方向に縦型に形成されるサブストレート型バイポーラトランジスタと、不純物の拡散又は注入の方向に対して直角に形成されるラテラル型バイポーラトランジスタとがある。前記サーマルダイオード60は、前述の寄生のバイポーラトランジスタのPNPタイプ又はNPNタイプを用いて、当該バイポーラトランジスタのベース端子及びコレクタ端子間を短絡してダイオード接続とすることにより、P側をアノード、N側をカソードとして利用する。
Bipolar transistors generally have two types of device structures, PNP type and NPN type. In a parasitic bipolar transistor formed in a CMOS process, a P-type well and an N-type well are formed vertically in the same direction as the direction of impurity diffusion or implantation in the process of well formation in the CMOS process. There are straight bipolar transistors and lateral bipolar transistors formed perpendicular to the direction of impurity diffusion or implantation. The
図19は、図2における前記温度電圧変換回路310内の寄生バイポーラトランジスタTB_NPN_1及びTB_NPN_nと前記サーマルダイオード60のレイアウト図の一例である。ここでは、寄生バイポーラトランジスタTB_NPN_nの個数nを8個としている。
FIG. 19 is an example of a layout diagram of the parasitic bipolar transistors TB_NPN_1 and TB_NPN_n and the
前記サーマルダイオード60は、前記センサ部31による測定結果をできるだけ正確に補正するため、前記温度電圧変換回路310内で温度の検出を行う寄生バイポーラトランジスタTB_NPN_1及びTB_NPN_8の近傍に配置される。なお、前記サーマルダイオード60を配置する際には、アノード側、すなわちコレクタ領域551は、前記電圧変換回路310の寄生バイポーラトランジスタTB_NPN_1及びTB_NPN_8と、ウェルを分離するための間隔を開ける必要がある。これは、前記温度電圧変換回路310における寄生バイポーラトランジスタTB_NPN_1及びTB_NPN_8と、前記ダイオード60を形成する寄生バイポーラトランジスタは、縦型NPNタイプの寄生バイポーラトランジスタによって構成されており、当該バイポーラトランジスタのコレクタ領域は、シリコン基板内深くに形成されたNタイプのウェル領域であることから、プロセスによって規定されるウェル分離のための間隔、すなわち、参照符号550で示される間隔を空ける必要があるからである。また、寄生バイポーラトランジスタTB_NPN_1は、寄生バイポーラトランジスタTB_NPN_8とコレクタサイズが等しくなるように配置されたダミーの寄生バイポーラトランジスタとともにレイアウトされ、これらのダミーの寄生バイポーラトランジスタは誤って動作しないように、夫々のダミー素子のベース端子が共通に接続され、グランドに接続されている。これにより、前記寄生バイポーラトランジスタのコレクタ領域として用いられるNウェルとP型のシリコン基板との間の寄生容量が小さくなり、前記温度電圧変換回路310のAC特性を改善することができる。また、高温時において当該NウェルからP型のシリコン基板に向かって流れるリーク電流を抑え、前記基準電圧VREF313及びVPTAT312の誤差を小さくすることができる。
The
以上より前記半導体装置2によれば、前記補正係数の取得時において前記サーマルダイオード60を用いて前記センサ部31の近傍の温度を測定することができ、より精度の高い温度の補正を行うことが可能となる。
As described above, according to the
≪補正用抵抗の内蔵≫
図20は、本発明に係る半導体装置の別の実施の形態として、温度センサを内蔵した、自動車用のデータ処理等を行うマイクロコンピュータの詳細な説明図である。図20における半導体装置3は、特に制限されないが、公知のCMOS集積回路の製造技術によって1個の単結晶シリコンのような半導体基板に形成されている。
≪Built-in correction resistor≫
FIG. 20 is a detailed explanatory diagram of a microcomputer for carrying out data processing for automobiles, which incorporates a temperature sensor, as another embodiment of the semiconductor device according to the present invention. The
前述のようにチップのプロセスばらつきの影響により、前記特性関数もばらつくこととなる。この特性関数のばらつきは、主に前記センサ部31で使用されている抵抗のばらつきによる影響が大きい。そこで、前記半導体装置3では、前記センサ部31で使用されている抵抗と同じ種類の抵抗70を内蔵し、当該抵抗70のばらつきを知ることで最適な特性関数を選択して、より高精度な温度の補正を行う。すなわち、前述の実施の形態に係る半導体装置1及び2では、全てのチップにおいて共通の前記温度変換定数an〜a0を用いたが、前記半導体装置3では、チップ毎のプロセスばらつきに応じた前記温度変換定数an〜a0を用いる。
As described above, the characteristic function also varies due to the process variation of the chip. The variation in the characteristic function is largely influenced by the variation in resistance used in the
前記半導体装置3について、前記半導体装置2と同様の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、図20においては説明に必要な構成要素のみを表示している。
In the
前記半導体装置3は、前記半導体装置2に対し、補正用の抵抗70を更に有する。
The
当該抵抗70の両端の端子は、PAD410AとPAD410Bに夫々接続される。
Terminals at both ends of the
図21は、前記抵抗70と前記温度電圧変換回路310内において用いられる抵抗Rarr730のレイアウトの一例である。
FIG. 21 shows an example of the layout of the
補正用の前記抵抗70は、温度センサ回路42内の前記温度電圧変換回路310において用いられる抵抗Rarr730の近傍に配置される。前記抵抗70は、前記抵抗730と同一種類の抵抗であって、且つ単位抵抗の形状を等しくしたものである。前記抵抗Rarr730は、抵抗素子の相対精度の劣化を防止するため、両側に当該抵抗と同一の種類であって、且つ単位抵抗の形状が等しいダミーの抵抗731とともに配置され、所定の電位に固定されたウェル等で形成したガードリング732内に配置される。前記抵抗70も同様である。ただし、単位抵抗の総和は前記抵抗Rarr730と等しくする必要はない。
The
≪補正用抵抗を用いた温度変換定数の選択方法≫
前記抵抗70を用いた温度変換定数an〜a0の選択について説明する。
≪Method for selecting temperature conversion constant using correction resistor≫
Selection of the temperature conversion constants a n to a 0 using the
図22は、半導体装置3についての製品出荷前テスト時の回路構成の一例である。
FIG. 22 is an example of a circuit configuration at the time of a product pre-shipment test for the
図22に示されるテスタ600について、前記テスタ500と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
In the
図22において、前記テスタ600の電流源回路601はシステム制御部604の制御により、前記PAD410Aを介して前記抵抗70に電流I10を流し込む。そして、前記システム制御部604は、そのときの前記抵抗70の両端に現れる電圧VR10をマルチメータ602によって測定して、記憶部603に格納する。
In FIG. 22, the
前記記憶部603には、単位抵抗あたりの抵抗値のプロセス管理幅、すなわち抵抗値の許容されるばらつき幅に基づいて、前記抵抗70の値の許容されるばらつき幅に対応した前記温度変換定数an〜a0を予め格納しておく。例えば、前記抵抗70のばらつき幅が最小値Rminから最大値Rmaxの範囲にある場合において、当該抵抗70の中心値をRtypとし、前記抵抗70に電流I10を流したときの電圧をVR10とすると、前記電圧VR10のとり得る範囲は、VRminからVRmaxとなる。なお、VRmin=Rmin・I10であり、VRmax=Rmax・I10である。この電圧VR10のとり得る範囲を複数の電圧範囲に分割し、当該分割した電圧範囲に対応する前記温度変換定数an〜a0を予め決めておく。例えば、図23に示すような対応関係を前記記憶部603に格納しておく。図23は、前記電圧VR10のとり得る範囲を3つの電圧範囲に分け、夫々の電圧範囲に対応する前記温度変換定数an〜a0を表したものである。
The
前記システム制御部604は、前記記憶部603に格納された電圧範囲と前記温度変換定数との対応関係から、測定した前記電圧VR10が、どの電圧範囲の値であるのかを判断し、当該電圧範囲に対応する前記温度変換定数を選択して、前記半導体装置3のNVM22に書き込む。
The
前記抵抗R70を用いた温度変換定数の選択時の流れについて図24を用いて説明する。 The flow when selecting the temperature conversion constant using the resistor R70 will be described with reference to FIG.
図24は、抵抗R70を用いた温度変換定数の選択時のフロー図である。ここでは、前記特性関数を2次関数とした場合、すなわち、前記温度変換定数a2〜a0とした場合を例とする。 FIG. 24 is a flowchart when the temperature conversion constant is selected using the resistor R70. Here, the case where the characteristic function is a quadratic function, that is, the case where the temperature conversion constants a 2 to a 0 are used is taken as an example.
まず、前述と同様に、前記テスタ600における前記システム制御部604は、前記発熱/冷却装置406を制御して所望の温度に設定し(S301)、前記サーマルダイオード60を用いてチップの温度を測定する(S302〜S309)。前記記憶部603には、図23に示すような電圧範囲と温度変換定数の対応関係を格納しておく(S501)。前記システム制御部604は、前記電流源回路601を制御して前記抵抗70に電流I10を印加し、そのときの前記抵抗70の両端の電圧VR10を測定するとともに(S502)、前記記憶部603に格納し、電圧VR10の値を得る(S503)。そして、前記システム制御部604は、前記電圧VR10が、ステップ501に示される電圧範囲のうち、どの電圧範囲の値なのかを判断する(S504)。初めに前記システム制御部604は、電圧VR10がVXで示される電圧範囲の値であるか否かを判断し(S505)、当該電圧範囲に示される範囲の値であるならば、その電圧範囲に対応する温度変換定数aX2〜aX0を選択し(S506)、前記温度変換定数を決定する(S513)。また、ステップ505において、当該電圧範囲に示される範囲の値ではない場合には、電圧VR10がVYで示される電圧範囲の値であるか否かを判断し(S507)、当該電圧範囲に示される範囲の値であるならば、その電圧範囲に対応する温度変換定数aY2〜aY0を選択し(S508)、前記温度変換定数を決定する(S513)。さらに、ステップ507において、当該電圧範囲に示される範囲の値ではない場合には、電圧VR10がVZで示される電圧範囲の値であるか否かを判断し(S509)、当該電圧範囲に示される範囲の値であるならば、その電圧範囲に対応する温度変換定数aZ2〜aZ0を選択し(S510)、前記温度変換定数を決定する(S513)。ステップ511において、当該電圧範囲に示される範囲の値でなかった場合には、抵抗がプロセス管理幅から外れていると判断され(S511)、当該サンプルは除外される(S512)。
First, as described above, the
≪補正用抵抗を用いた補正係数の算出方法≫
前記半導体装置3における前記補正係数の算出の流れについて、図25を用いて説明する。
≪Calculation method of correction coefficient using correction resistor≫
The flow of calculating the correction coefficient in the
図25は、前記半導体装置3における前記補正係数の算出時のフロー図である。
FIG. 25 is a flowchart when calculating the correction coefficient in the
図25において、まず、前記テスタ600の前記システム制御部604は、図24に示される手順により前記温度変換定数を選択する(S601)。そして、前記システム制御部604は、前記発熱/冷却装置406を制御して所望の温度に設定するとともに(S301)、前記記憶部603から当該選択した前記温度変換定数を読み出す(S402)。以降の手順は、図17のフロー図と同様とすることで、前記補正係数を決定することができる。
25, first, the
以上より前記半導体装置3によれば、内蔵した前記抵抗70を用いてチップ毎のプロセスばらつきに応じた前記温度変換定数a0〜anを選択するから、より精度の高い測定温度の補正が可能となる。なお、上記の説明では、例として前記半導体装置2に前記抵抗70を内蔵する場合を示したが、前記半導体装置1に前記抵抗70を内蔵してもよい。
According to the
≪補正用抵抗70の発熱体としての利用≫
前述の抵抗70を発熱体として利用し、高温試験を行う方法について説明する。
≪Use of
A method for performing a high temperature test using the
出荷前テスト時において半導体装置を高温の環境に置く場合には、前述のように、テスタによってステージの温度を調整して高温状態にする方法があるが、前記半導体装置3は内蔵する抵抗70に大電流を流すことにより当該抵抗70を発熱させて前記センサ部31の近傍の温度を高温状態にすることができる。この方法によれば、前記半導体装置3の温度を検出する前記温度電圧変換回路310に近い位置で発熱させることができるので、効率良く熱伝達を行うことができる。
When the semiconductor device is placed in a high temperature environment during the pre-shipment test, as described above, there is a method of adjusting the temperature of the stage by a tester to bring it into a high temperature state. However, the
なお、前記抵抗70を発熱体として用いる場合には、前述した温度変換定数の選択を予め完了させておく必要がある。その理由は、前記抵抗70を発熱体として利用する際に流れる大電流により前記抵抗70の特性劣化や、前記抵抗70とPAD410A及びPAD410Bとの間の金属配線の劣化が起こり、最悪の場合には断線してしまう可能性があるからである。
When the
≪チップ内の温度勾配の測定≫
図26は、本発明に係る半導体装置の別の実施の形態として、温度センサを内蔵した、自動車用のデータ処理等を行うマイクロコンピュータの詳細な説明図である。図26における半導体装置4は、特に制限されないが、公知のCMOS集積回路の製造技術によって1個の単結晶シリコンのような半導体基板に形成されている。
≪Measurement of temperature gradient in the chip≫
FIG. 26 is a detailed explanatory diagram of a microcomputer for carrying out data processing and the like for an automobile incorporating a temperature sensor as another embodiment of the semiconductor device according to the present invention. The
前記半導体装置4は、チップ内部の温度勾配を高い精度で測定するため、前記温度電圧変換回路310に対して相対的な温度測定を可能にする温度測定用のダイオード80_1〜80_4を複数箇所に有する。
In order to measure the temperature gradient inside the chip with high accuracy, the
前記半導体装置4について、前記半導体装置1と同様の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、図26においては、説明に必要な構成要素のみを表示している。なお、前記半導体装置4内の周辺回路の代表例としてPLL(Phase−Locked Loop)90を表示している。
In the
温度測定用のダイオード80_1〜80_4は、チップ内の特に発熱し易い箇所や、マイクロコンピュータとしてのパフォーマンスに影響を与え易い構成要素の近傍に配置される。
The
前記温度センサ回路43は、前記温度補正制御部32、前記テーブル格納用メモリ38、及びセンサ部39を有する。
The
前記センサ部39は、前記温度電圧変換回路310、AD変換回路350、及びバイアス回路351を有し、前記ダイオード80_1〜80_4と接続される。
The
図27は、前記センサ部39と前記ダイオード80_1〜80_4との接続関係を表したものである。
FIG. 27 shows a connection relationship between the
図27において、前記ダイオード80_1〜80_4は、前記バイアス回路351のスイッチSW1b〜SW4bに夫々接続されている。
In FIG. 27, the diodes 80_1 to 80_4 are connected to the switches SW1b to SW4b of the
前記バイアス回路351は、前記温度補正制御部32内の前記制御部329により制御され、一定のタイミングで電流I0又は前記電流I0のn倍の電流nI0を切り替えて出力し、前記ダイオード80_1〜80_4の何れかを選択して電流を流す。
The
前記AD変換回路350は、一般的にAD変換の精度が高い、ΔΣ型のAD変換回路を例としている。
The
前記温度測定用のダイオード80_1〜80_4を用いた温度勾配の測定方法について、詳細に説明する。 A method for measuring the temperature gradient using the temperature measuring diodes 80_1 to 80_4 will be described in detail.
前記半導体装置4の動作時に前記ダイオード80_1によって温度を測定する場合を例に説明する。
A case where the temperature is measured by the diode 80_1 during the operation of the
まず、前記制御部329は、図27におけるスイッチSW1bを制御し、前記ダイオード80_1と前記バイアス回路351を接続する。そして、前記制御部329は、バイアス回路351のスイッチSW1aを制御して電流I0を前記ダイオード80_1に流し込み、当該電流によって発生した前記ダイオード80_1のベース・エミッタ間電圧VBE0を、スイッチSW2を制御することでAD変換回路350に取り込む。前記電圧VBE0を取り込んだAD変換回路350は、当該値をAD変換して出力し、前記制御部329は、当該AD変換したVBE0の値を前記レジスタバッファ331に格納する。次に、前記制御部329は、前記バイアス回路351のスイッチSW1aをオフさせるとともに、スイッチSW2aをオンさせて電流nI0を前記ダイオード80_1に流し込み、スイッチSW2を制御することで当該電流によって発生した前記ダイオード80_1のベース・エミッタ間電圧VBEnを前記AD変換回路350に取り込ませる。そして、前述と同様にAD変換を行ったVBEnの値を前記レジスタバッファ331に格納する。前記制御部329は、前記レジスタ311に格納した電圧VBEnとVBE0の値の差電圧ΔVBEtdを算出する。この差電圧ΔVBEtdが温度に依存する電圧であり、下記の(式8)で表される。
First, the
また、前記VPTATは、前述の(式2)で表されるので、このΔVBEtdと基準電圧VPTATを比較することで、前記温度電圧変換回路310で測定する温度に対する相対的な温度を測定することができる。例えば、前記温度電圧変換回路310で測定した温度をT2とし、前記ダイオード80_1で測定する温度をT1とすると、前記基準電圧VPTATと、前記差電圧ΔVBEtdとの関係は(式2)及び(式8)を用いて、下記の(式9)で表される。
Further, since the VPTAT is expressed by the above-described (Equation 2), the relative temperature with respect to the temperature measured by the temperature-
したがって、前記温度電圧変換回路310で測定した温度T2に対して、相対的な温度T1を知ることができ、この測定を各ダイオード80_1〜80_4について時分割で行うことで、チップ内の温度勾配を測定することができる。
Therefore, it is possible to know the relative temperature T1 with respect to the temperature T2 measured by the temperature-
なお、(式9)は、前記ダイオード80_1と前記温度電圧変換回路310内の寄生バイポーラトランジスタの間のばらつき等による誤差がない場合の理想式である。そこで、当該誤差がある場合には、出荷前テスト時に同一温度状況下において前記基準電圧VPTAT312と前記差電圧ΔVBEtdの差分を測定するとともに、当該差分を前記NVM22書き込んでおき、実動作時に温度勾配を測定する際には、当該差分を加味して前記ダイオード80_1による相対的な温度を算出すればよい。また別の方法としては、前記誤差をキャンセルするように夫々の前記ダイオード80_1〜80_4に流し込む電流I0又は電流nI0の値を調整する方法でもよい。
(Equation 9) is an ideal equation in the case where there is no error due to variation between the diode 80_1 and the parasitic bipolar transistor in the temperature-
以上により前記半導体装置4によれば、チップ内に前記ダイオード80_1〜80_4を分散させて配置することにより、チップ面積を大幅に増大させることなく、チップ内の温度勾配や温度分布を知ることが可能となる。なお、上記の温度勾配等を測定する手段は、前記半導体装置1に適用する場合に限られず、前記半導体装置2及び前記半導体装置3にも適用することができる。
As described above, according to the
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof.
例えば、本発明に係る測定温度の補正手段について自動車用のマイクロコンピュータに適用する場合を例としたが、これに限られず、温度測定機能を有するマイクロコンピュータに適用することができる。前記半導体装置1乃至4の何れかにおけるサーマルダイオード60及びダイオード80_1〜80_4等はCMOSプロセスにおける寄生バイポーラトランジスタを用いているが、これに限られず、例えばBiCMOSプロセスにおけるバイポーラトランジスタやダイオードを用いてもよい。また、前記半導体装置4におけるチップ内の各所の温度を測定するダイオード80_1〜80_4の個数に特に制限はない。
For example, the measurement temperature correction means according to the present invention is applied to a microcomputer for an automobile, but the present invention is not limited to this, and can be applied to a microcomputer having a temperature measurement function. The
前記半導体装置3において、前記温度変換定数の選択方法として前記抵抗70を利用する方法を説明したが、当該抵抗70に代えて前記サーマルダイオード60のベース・エミッタ間電圧VBEのばらつき幅を利用する方法を採用することもできる。この場合には、図24のフロー図において、前記抵抗70の電圧を測定する代わりに、前記サーマルダイオード60に電流I0を流したときのベース・エミッタ間電圧VBE0を測定する。そして、当該ベース・エミッタ間電圧のばらつき幅を複数分割した電圧範囲に対応する前記温度変換定数を予め決めておき、当該測定したベース・エミッタ間電圧VBE0の値に従って、前記温度変換定数を選択する。これによれば、前記抵抗70による方法と同様により精度の高い測定温度の補正が可能となる。
In the
前記半導体装置1乃至4の何れかにおける測定温度の補正についての別の方法として、前記CPU13が作成した前記補正テーブル33を前記メモリ部20に格納しておき、温度検知の際に前記CPU13が前記センサ部31又は前記センサ部39で測定された温度データを受け取るとともに、当該温度データと前記補正テーブル内の補正前の温度データとの一致を判別し、一致した温度データに対応する温度のデータを出力することで測定温度の補正を行う方法を採用することも可能である。
As another method for correcting the measured temperature in any one of the
1〜4 半導体装置
11 割り込み要求
12 転送要求
13 CPU
14 割り込みコントローラ部
15 割り込み信号
20 メモリ部
22 NVM
21 RAM
40 転送制御部
50 バス
30、41、42、43 温度センサ回路
31、39 センサ部
32 温度補正制御部
33 補正テーブル
34 温度のデータ
35 補正テーブル作成の要求
36 温度検知の要求
37 バスインターフェイス部
38 テーブル格納用メモリ
311、350 AD変換回路
310 温度電圧変換回路
312 基準電圧VPTAT
313 基準電圧VREF
314、315 制御信号
316 AD変換結果
320 AD変換結果レジスタ
321 比較元レジスタ
317 補正前の温度データ
324 比較器
325 比較結果
326 温度レジスタ
327 選択回路
329 制御部
330 制御ロジック回路
331 レジスタバッファ
332 レジスタ
200、202 理想曲線
201 特性関数
203、204 ばらつき範囲
205、206 特性修正関数
400、500、600 テスタ
401 ステージ
402 高精度温度センサ
404、503、603 記憶部
403、504、604 システム制御部
405 モニタ
406 発熱/冷却装置
407A、407B I/Oインタフェース
408A、408B、409A、409B、410A、410B PAD
60 サーマルダイオード
501、601 電流源回路
502、602 マルチメータ
550 プロセスで規定されるウェル分離のための最小間隔
551 サーマルダイオード60のコレクタ領域
70 補正用抵抗
730 抵抗Rarr
731 ダミー抵抗
732 ガードリング
80_1〜80_4 ダイオード
90 PLL
351 バイアス回路
1-4 Semiconductor device 11 Interrupt
14 Interrupt
21 RAM
40
313 reference voltage VREF
314, 315 Control signal 316
60
731
351 bias circuit
Claims (10)
前記メモリ部は、前記温度センサ部で測定した温度データと温度との理想的な対応関係を示す特性関数と、前記温度センサ部で測定した温度と実際の温度との誤差を示す補正係数とを格納するための記憶領域を有し、
前記データ処理部は、前記特性関数を補正係数で修正した特性修正関数の逆関数を用いて、温度毎に前記温度データを演算し、当該演算した温度データを温度毎に対応させて保持する補正テーブルを生成し、
前記温度補正制御部は、前記補正テーブルから読み出した温度データが前記温度センサ部で測定した温度データと一致する場合に、当該温度データに対応される温度のデータを出力する、半導体装置。 A semiconductor device provided with a temperature sensor unit, a temperature correction control unit, a data processing unit, and a memory unit on a semiconductor substrate,
The memory unit includes a characteristic function indicating an ideal correspondence between temperature data measured by the temperature sensor unit and temperature, and a correction coefficient indicating an error between the temperature measured by the temperature sensor unit and the actual temperature. A storage area for storing,
The data processing unit calculates the temperature data for each temperature using an inverse function of the characteristic correction function obtained by correcting the characteristic function with a correction coefficient, and corrects the calculated temperature data in correspondence with each temperature. to generate a table,
The temperature correction control unit outputs temperature data corresponding to the temperature data when the temperature data read from the correction table matches the temperature data measured by the temperature sensor unit.
前記温度補正制御部は、前記温度のデータを一時的に蓄積し、所定のタイミングで前記転送制御部に対しデータ転送の要求を与え、
前記転送制御部は、当該要求に従い前記制御部に蓄積された前記温度のデータを前記メモリ部に転送する制御を行う、請求項4記載の半導体装置。 A transfer control unit that performs data transfer control in response to a data transfer request from the data processing unit and the temperature correction control unit;
The temperature correction control unit temporarily accumulates the temperature data, and gives a data transfer request to the transfer control unit at a predetermined timing,
The semiconductor device according to claim 4, wherein the transfer control unit performs control to transfer the temperature data stored in the control unit to the memory unit in accordance with the request.
前記実際の温度は、前記ダイオードに外部から電流を流し込んだときの電圧と、当該電流のn倍(nは1より大きい数)の電流を流し込んだときの電圧との差分を用いて算出した温度である、請求項4記載の半導体装置。 A diode for measuring the temperature;
The actual temperature is a temperature calculated using a difference between a voltage when a current is supplied from the outside to the diode and a voltage when a current n times as large as the current (n is a number greater than 1) is supplied. The semiconductor device according to claim 4, wherein
所定の温度において所定の電流を前記抵抗に流し込んだときの当該抵抗の両端の電圧値から算出される抵抗のばらつき幅に対応する前記特性関数が、前記メモリ部に格納される、請求項4記載の半導体装置。 It further has a resistance for measuring variation in resistance value,
5. The characteristic function corresponding to a resistance variation width calculated from a voltage value at both ends of the resistor when a predetermined current is supplied to the resistor at a predetermined temperature is stored in the memory unit. semiconductor device.
前記温度補正制御部は、前記ダイオードによって測定した夫々の箇所の温度データについて、前記温度センサ部で測定した前記測定温度データに対する相対温度データを算出し、当該相対温度データに基づいて前記ダイオードによって測定した夫々の箇所の温度のデータを出力する、請求項4記載の半導体装置。 A plurality of diodes for measuring temperatures at a plurality of locations in the semiconductor device;
The temperature correction control unit calculates relative temperature data with respect to the measured temperature data measured by the temperature sensor unit for the temperature data of each location measured by the diode, and measured by the diode based on the relative temperature data The semiconductor device according to claim 4, wherein the temperature data of each of the locations is output.
前記データ処理部は、前記温度センサ部で測定した温度データと温度との理想的な対応関係を示す特性関数と、前記温度センサ部で測定した温度と実際の温度との誤差を示す補正係数とを入力し、前記特性関数を補正係数で修正した特性修正関数の逆関数を用いて、温度毎に前記温度データを演算し、当該演算した温度データを温度毎に対応させて保持する補正テーブルを生成し、
前記補正テーブルは、候補のデータをインデックスとして検索された補正前の温度データを出力可能にする、半導体装置。 A semiconductor device having a temperature sensor unit and a data processing unit on a semiconductor substrate,
The data processing unit includes a characteristic function indicating an ideal correspondence between temperature data measured by the temperature sensor unit and a temperature, and a correction coefficient indicating an error between the temperature measured by the temperature sensor unit and the actual temperature. A correction table for calculating the temperature data for each temperature using the inverse function of the characteristic correction function obtained by correcting the characteristic function with a correction coefficient, and holding the calculated temperature data corresponding to each temperature. Generate
The said correction table is a semiconductor device which makes it possible to output the temperature data before correction | amendment searched by using candidate data as an index.
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