JP4086613B2 - 半導体装置および内部温度測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度測定用の半導体ダイオードを内部に備える半導体装置、および半導体装置の基板の温度を測定する内部温度測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置では、主回路の消費電流が大きい場合、または高温度で動作をさせる場合には、回路自体の発熱によって半導体基板の温度が上昇し、熱暴走によって誤動作を引き起こすことがある。したがって、要求温度範囲での正常動作を確認する必要性があり、そのためには半導体基板の温度を正確に測定することが求められる。また、誤動作を引き起こすことがないように半導体基板の温度を制御することが必要であり、そのために半導体基板の温度を正確に測定すること必要である。
【0003】
半導体基板の温度測定には、半導体基板に形成されたpn接合ダイオードが一般に用いられる。それは、pn接合ダイオードに順方向電流を印加したときに発生する順方向電圧が温度に対し、ある比例定数を有することを利用するものである。
【0004】
ウエハテスト時にpn接合ダイオードで半導体基板の温度測定を行う場合、半導体基板に形成されたパッド電極に、プローブ針を経由してテスタを接続する。テスタは、電流源や電圧源、さらには電流測定器や電圧測定器を有するが、種々の問題点を有する。
【0005】
図7に、pn接合ダイオードを用いて半導体基板の温度を測定する第1の従来例として、特開平3−154833号公報に記載の温度測定方法を示す。図6(a)に示すように、被温度測定半導体装置51に含まれる主回路52の外側の基板内部にpn接合ダイオード53を形成し、図7(b)に示すように、半導体装置の端子(パッド電極)54,55からpn接合ダイオード53に順方向の電流Iを印加し、2端子間の電圧を測定する。
【0006】
ダイオードの温度特性は、2端子間の電圧をVF とすると、
【数2】
k:ボルツマン定数
T:絶対温度
q:電子の電荷
IS :ダイオードの飽和電流密度
であることから、絶対温度Tは、
【数3】
で求めることができる。
【0007】
第1の従来例では、ダイオードの面積が小さく、かつ抵抗成分の現れない電流領域で測定するため、印加する電流が数μA〜数百μAと非常に小さくなってしまう。したがって、印加電流および順方向電圧値を精度良く求めるためには高精度の測定器が必要である。また、製造プロセスのばらつきにより飽和電流密度IS の値がばらつくため、1度測定を行い、その測定結果を基に実温度と温度センサ出力との対応関係を示す理想計算式または変換テーブルを作成し、それに合うようにダイオードの温度較正を行わないと、正確な温度測定ができない。そのため、1度目の測定による測定誤差が必ず含まれる。
【0008】
また、半導体装置の端子(パッド電極)から電圧を測定するため、端子からダイオードまでの寄生抵抗(配線抵抗を含む)による電圧降下により温度測定に誤差が生じる。また、測定器特有のオフセット値のために温度測定に誤差が生じる。
【0009】
図8は、pn接合ダイオードを用いて半導体基板の温度を測定する第2の従来例であり、米国特許3812717号明細書に記載の温度測定方法を示している。第2の従来例は、第1の従来例より、製造プロセスによる飽和電流密度IS のバラツキの影響を取り除いたものである。
【0010】
図8(a)に示すように、被温度測定半導体装置51に含まれる主回路52の外側の基板内部にpn接合ダイオード53を形成し、図8(b)に示すように、半導体装置の端子(パッド電極)54,55からpn接合ダイオード53に順方向に異なる電流I1 およびI2 を印加し、2端子間の電圧を測定する。
【0011】
ダイオードの温度特性は、電流I1 を印加したときの2端子間の電圧をVF1とし、電流I2 を印加したときの2端子間の電圧をVF2とすると、
【0012】
【数4】
であることから、2つの電圧測定結果の差をとることで、ダイオードの飽和電流密度IS の項を消去することができるため、絶対温度Tは、
【数5】
で求めることができる。
【0013】
第2の従来例においても、印加する電流が数μA〜数百μAと非常に小さいため、電流比を精度良く求めるためには、高精度の測定機が必要である。また、2端子間の測定であるため、半導体装置内部の寄生抵抗(配線抵抗を含む)による電圧降下により温度測定に誤差が生じる。また、測定器特有のオフセット値のために温度測定に誤差が生じる。しかし、ダイオードの飽和電流密度IS の項を消去することができるため、ダイオードの製造プロセスによるバラツキを無視することができ、温度較正無しに温度を測定できる。
【0014】
【特許文献1】
特開平3−154833号公報
【特許文献2】
米国特許第3812717号明細書
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、pn接合ダイオードを使用した温度測定は多く行われている。特に外部印加の場合、一般的には第1の従来例の方式を採用することが多い。しかし、第2の従来例の方式に変更することで、製造プロセスのバラツキによる誤差要因を無視することができるが、次の式(1)からわかるとおり、印加電流および測定電圧の精度が求められる。しかし、実際に半導体装置に測定素子を組み込む場合、小面積であることが求められる。そのため、抵抗成分が現れない領域での測定を考慮に入れると、印加する電流値は、数μA〜数百μAと非常に小さな値となってしまうため、電流の印加・測定精度が悪いため、測定温度の大きな誤差要因となる。なお、電流値は単独で測定しているため、測定器特有のオフセット値も含まれ、これが更なる測定温度の誤差要因となる。次に示す測定誤差を含めて展開した式(2)からわかるように、電圧項のVOF(電圧オフセット)はキャンセルされるが、2重線で示した電流項のIOF(電流オフセット)はそのまま残る。なお、電流I1 および電流I2 を印加したときのダイオードの順方向電圧値をそれぞれVF1、VF2とし、電圧計の測定電圧値をそれぞれVF1’、VF2’とする。ΔVF1、ΔVF2、ΔVI1 、ΔI2 は測定誤差である。
【0016】
【数6】
【0017】
また、第1の従来例と同様に、半導体装置の端子(パッド電極)から電圧を測定するため、端子からダイオードまので寄生抵抗による電圧降下により温度測定に誤差が生じる。例えば、図9に示すように、寄生抵抗をRp、電流I1 および電流I2 を印加したときのダイオードの順方向電圧値をそれぞれVF1、VF2とし、電圧計の測定電圧値をそれぞれVF1’、VF2’とおいて計算式を解くと、次に示す式(3)の2重線の部分が温度誤差として発生する。
【0018】
【数7】
【0019】
本発明は、上述した従来例の問題点である電流・電圧測定精度による誤差、測定器特有のオフセット値混入による誤差、寄生抵抗による誤差に着目してなされたもので、その目的は、温度を正確に測定できる半導体装置および内部温度測定方法を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体ダイオードと抵抗の直列接続からなる、基板の実温度を測定するための回路を内部に備え、半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端部に接続された2個のフォース用端子と、半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端部に半導体ダイオードと抵抗に近接して接続された2個のセンス用端子と、半導体ダイオードと抵抗の中間の接続部に半導体ダイオードに近接して接続された1個のセンス用端子を備えることを特徴とする。
【0021】
また、本発明の内部温度測定方法は、半導体装置に内蔵された半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の半導体ダイオードに、抵抗を介して第1の順方向電流および第1の順方向電流と異なる電流値の第2の順方向電流を印加して、第1の順方向電流を回路に流した場合の半導体ダイオード両端での電位差VF1と、抵抗を含めた場合の両端の電位差VA1と、第2の順方向電流を回路に流した場合の半導体ダイオード両端での電位差VF2と、抵抗を含めた場合の両端の電位差VA2とを求め、
【0022】
【数8】
T:絶対温度
k:ボルツマン定数
q:電子の電荷
の式を用いて半導体装置の基板の温度を測定することを特徴とし、第1の順方向電流および第2の順方向電流は、半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端に接続された2個のフォース用端子を用いて印加し、半導体ダイオード両端での電位差VF1および電位差VF2は、半導体ダイオードの両端に近接して接続された2個のセンス用端子を用いて測定し、抵抗を含めた場合の両端の電位差VA1および電位差VA2は、半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端に近接して接続された2個のセンス用端子を用いて測定することを特徴とする。
【0023】
また、本発明の半導体装置は、第1の半導体ダイオードと抵抗の直列接続からなり、基板の実温度を測定する実温度測定回路と、第2の半導体ダイオードと、第2の半導体ダイオードに順方向電流を印加するための電流印加回路からなり、第2の半導体ダイオードの順方向電圧値に基づく信号を出力する温度センサ回路と、温度センサ回路から出力される信号の値を、基板の実温度に対応する信号に較正して出力する温度較正回路とを備えることを特徴とし、実温度測定回路の第1の半導体ダイオードと抵抗の両端部に接続された2個のフォース用端子と、第1の半導体ダイオードと抵抗の両端部に半導体ダイオードと抵抗に近接して接続された2個のセンス用端子と、半導体ダイオードと抵抗の中間の接続部に半導体ダイオードに近接して接続された1個のセンス用端子を備えている。
【0024】
また、本発明の温度較正方法は、半導体装置の主回路の外側の基板内部に備える半導体ダイオードと抵抗の直列接続回路を用いて、上述した内部温度測定方法により半導体装置の基板の実温度を測定し、半導体装置の主回路の内部に備える半導体ダイオードの順方向電圧値をデジタルデータに変換して加減算器に出力し、実温度と温度センサ出力との対応関係を示す理想計算式または変換テーブルを用いて半導体装置の基板の実温度に対応する温度センサ出力の値を求め、求められた温度センサ出力の値と、加減算器から出力される温度センサ出力の値との差から較正データを抽出し、抽出された較正データをメモリに書き込み、メモリに較正データを書き込んだ以降は、半導体ダイオードの順方向電圧値をデジタルデータに変換して加減算器に出力する毎に、加減算器においてデジタルデータに、メモリから出力される較正データを加減算して、加減算器から温度センサ出力を出力することを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0026】
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る内部温度測定方法を説明する図である。図1(a)に示すように、被温度測定半導体装置10は、主回路11の外側の基板内部に半導体ダイオード13と抵抗12を直列接続した実温度測定回路を備えている。また、被温度測定半導体装置10は、半導体ダイオード13と抵抗12を直列接続した回路の両端部に接続されたフォース用端子(電流印加用パッド電極)14,18を備えており、半導体ダイオード13と抵抗12を直列接続した回路の両端部に半導体ダイオード13と抵抗12に近接して接続されたセンス用端子(電圧測定用パッド電極)15,17を備えており、さらに、半導体ダイオード13と抵抗12の中間の接続部に半導体ダイオード13に近接して接続されたセンス用端子(電圧測定用パッド電極)16を備えている。
【0027】
抵抗12とフォース用端子14の間の寄生抵抗(配線抵抗を含む)19、および半導体ダイオード13とフォース用端子18の間の寄生抵抗(配線抵抗を含む)20による電圧降下の影響をなくすために、センス用端子15,16,17は、抵抗12および半導体ダイオード13にそれぞれ近接して接続される。したがって、センス用端子15,16,17は、抵抗およびダイオード直上から取り出す構造とするのが好ましい。センス用端子15,16,17までの配線にも寄生抵抗は存在するが、電圧測定は高入力抵抗の電圧計で行われるため、この寄生抵抗による電圧降下は無視できる。
【0028】
なお、フォース用端子14,18の配線に寄生抵抗が存在しない構造であれば、フォース用端子14とセンス用端子15を1個の端子に統合し、フォース用端子18とセンス用端子17を1個の端子に統合してもよい。
【0029】
また、抵抗12には、電圧依存のないものを使用する。
【0030】
半導体装置の基板の温度を測定するときには、図1(b)に示すように、フォース用端子14には、電流I1 の定電流源21と、電流I1 とは異なる電流値である電流I2 の定電流源22が切り換えて接続され、フォース用端子18は接地される。また、センス用端子17とセンス用端子15の間、およびセンス用端子17とセンス用端子16の間には、電圧計23が切り換えて接続される。
【0031】
温度測定の際には、定電流源21および定電流源22から電流I1 および電流I2 をそれぞれ切り換えて半導体ダイオード13に順方向に印加し、電圧計23により、電流I1 および電流I2 をそれぞれ印加した場合における、センス用端子17とセンス用端子15の間の電位差、すなわち半導体ダイオード13と抵抗12を直列接続した回路の両端の電位差VA を測定し、さらにセンス用端子17とセンス用端子16の間の電位差、すなわち半導体ダイオード13の両端の電位差VF を測定する。
【0032】
電流I1 とI2 の電流比は大きいほど、電位差の精度は高くなる。しかし、ダイオードの順方向電圧値は、印加する電流が大きすぎるとダイオードの抵抗成分の影響が出てくる。逆に、印加する電流が小さいと、リーク電流が主流となってしまう。したがって、電流I1 とI2 の電流比は、リーク電流の影響が出ない電流以上、抵抗成分の影響が出ない電流以下の範囲内で最大となるようにするのが好ましい。電流I1 とI2 の電流比は、一般には8〜30:1である。
【0033】
今、半導体ダイオード13をpn接合のダイオードとし、電流I1 を回路に印加した場合のダイオード両端での電位差をVF1、抵抗を含めた場合の両端の電位差をVA1、電流I2 を回路に印加した場合のダイオード両端での電位差をVF2、抵抗を含めた場合の両端の電位差をVA2とする。
【0034】
これにより、それぞれの電流値は、
【数9】
となり、電流比I1 /I2 は、
【数10】
で求められる。
【0035】
2つの異なる電流を用いて温度を測定する方式では、第2の従来例で示したように、
【数11】
T:絶対温度
k:ボルツマン定数
q:電子の電荷
となり、絶対温度Tは、
【数12】
で求められるため、この式に上記電流の比の式を代入すると、
【数13】
【0036】
となり、電流の項が無くなるので、電流I1 とI2 の精度を気にすることなく電圧測定のみで絶対温度を求めることができる。また、抵抗の項は消えるため、抵抗の絶対精度は不要となる。
【0037】
次に、測定誤差を含めた展開した式を示す。
【数14】
【0038】
電流I1 および電流I2 を印加したときのダイオードの順方向電圧値をそれぞれVF1、VF2とし、電圧計の測定電圧値をそれぞれVF1’、VF2’とし、抵抗を含めた場合の両端の電位差をそれぞれVA1、VA2とし、電圧計の測定電圧値をそれぞれVA1’、VA2’とする。ΔVF1、ΔVF2、ΔVA1、ΔVA2は、測定誤差であり、VOFは、オフセット電圧である。
【0039】
この式(4)から、電流値の測定を、抵抗の電圧降下を測定する電圧測定に置き換えることによって、上記式(2)に存在した電流オフセットが消え、項全体からオフセット成分を取り除くことができる。
【0040】
次に、第2の従来例の温度測定方法と、本発明の温度測定方法を用いて、実際に誤差を計算した例を示す。図2(a)は、第2の従来例の温度測定方法を示す図であり、図2(b)は、本発明の温度測定方法を示す図である。
【0041】
アナログテスタを使用した測定を想定して誤差計算を行うと、電流フォース精度を±0.2%+15nA、電圧測定精度を±70ppm+19μV、電流比を10:1(100μA/10μA)、測定温度を100℃、抵抗を30KΩ、電流I1 (100μA)を印加したときのダイオードの順方向電圧値VF1を0.62V、電流I2 (10μA)を印加したときのダイオードの順方向電圧値VF2を0.6Vとして計算を行った。また、寄生抵抗を、図2(a)の第2の従来例では1Ω+1Ωとし、図2(b)の本発明では10mΩ(+10mΩ)とした。寄生抵抗を従来例で2Ωとし、本発明で10mΩとしているのは、従来例の場合、ダイオードから測定用パッド電極までの配線抵抗が含まれているのに対し、本発明では、配線をフォース用の配線とセンス用の配線に分け、かつセンス用の配線をダイオードおよび抵抗のごく近くに接続することにより、寄生抵抗を最小限に抑えることが可能となっているためである。
【0042】
第2の従来例の温度測定方法では、電流測定値を使用し、2端子測定で式(2)を利用して計算すると、±0.49%の誤差であったのに対し、本発明の温度測定方法では、上記式(4)を利用して計算すると、±0.06%の誤差であった。温度換算では、第2の従来例では温度誤差±1.85℃であったのが、本発明では±0.23℃(約8分の1)に減少する。
【0043】
本発明の内部温度測定方法では、電流値の測定を、抵抗の電圧降下を測定する電圧測定に置き換えることによって測定精度を向上できるため、より正確な温度測定が可能となっている。電流は、一定電流であれば、その値は高精度な、ある一定値である必要はない。
【0044】
また、電圧測定に、電流を印加するためのフォース用端子と電圧を測定するためのセンス用端子を使用することにより、ダイオードの寄生抵抗で発生する電圧降下による測定誤差を最小限に抑えることができる。さらに、フォース用端子とセンス用端子を用いて測定を行うため、寄生抵抗の影響を無視できるだけでなく、加えて外部印加時の端子での電流リークが無視できる。
【0045】
また、温度を求める式の全ての計算で測定電圧の差分を取るため、測定装置によって発生するオフセット電圧がキャンセルされ、オフセット電圧による誤差が生じない。さらに、温度を求める式において、ダイオードの飽和電流密度IS の項を消去することができるため、外部電流印加時にもダイオードの温度較正なしに正確な温度が測定できる。
【0046】
なお、第1の実施の形態では、半導体装置の基板の温度を測定する場合について説明したが、本発明は、半導体装置の内部温度に限るものではなく、例えば半導体装置の表面温度を測定する場合等にも用いることができるものである。さらに、半導体ダイオードと抵抗を直列接続した温度測定回路を組み込むことができるものであれば、どのような装置の温度測定にも利用できるものである。
【0047】
また、第1の実施の形態では、フォース用端子(パッド電極)間に電流を印加し、センス用端子(パッド電極)間の電圧を測定することによって、半導体装置(ICチップ)の基板温度を測定することを想定しているが、本発明は、フォース用端子とセンス用端子を装置外部に取り出すことによって、組立後のICパッケージの温度測定にも利用できるものである。
【0048】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図3は、第2の実施の形態に係る被温度測定半導体装置の内部配置図である。図3に示すように、主回路11の外側の被温度測定半導体装置10には、第1の実施の形態で示した半導体ダイオードと抵抗の直列接続からなる実温度測定回路25が配置され、主回路11の内部には温度センサ回路26および温度較正回路27が設けられている。
【0049】
第2の実施の形態は、ウエハ上の被温度測定半導体装置の実温度(絶対温度)を半導体ダイオードと抵抗からなる実温度測定回路25で測定し、温度センサ回路26からの信号を実温度に対応するように較正して、主回路11に半導体基板の実温度(絶対温度)に対応する制御信号を供給し、温度変化に対して主回路が最適に動作するようにするものである。
【0050】
ある温度におけるダイオードの順方向電圧値は、製造プロセスのバラツキの影響を受け、ダイオード毎に異なる。つまり、1枚のウエハ内でも、チップ毎に温度センサ回路からの制御信号が、同じ温度でも異なる。ウエハ間でもさらにばらつく。そのために、温度較正回路を備えて温度を較正する必要がある。
【0051】
温度センサ回路の温度較正を行う際には、較正を行う温度センサ回路に要求される温度精度の仕様よりも十分に高精度な測定方法で実温度を測定する必要がある。それは、温度較正を行うためには実温度と温度センサ出力との対応関係を示す理想計算式または変換テーブルが必要であるが、その理想計算式または変換テーブルを作成するための測定による誤差が含まれるのを防ぐためである。また、精度良く実温度を測定する測定装置がないため、高精度の温度較正は難しい。
【0052】
第2の実施の形態では、基板の絶対温度を較正なしに高精度で測定できる温度較正回路を用いかつ第1の実施の形態の内部温度測定方法を使用して基板の実温度を測定し、温度センサ回路の温度較正を行っている。
【0053】
以下に動作の詳細を述べる。図4は、温度センサ回路と温度較正回路の構成を示すとともに、温度較正の動作を説明する図である。温度センサ回路は、半導体ダイオード31と、半導体ダイオード31に順方向に一定電流を印加する定電流源32からなる。
【0054】
温度較正回路は、A/Dコンバータ33と、加減算器34と、較正データを格納するメモリ35とからなる。
【0055】
定電流源32は、半導体ダイオード31に順方向に一定電流を印加し、A/Dコンバータ33は、半導体ダイオード31の順方向電圧値をデジタルデータに変換して加減算器34に出力する。
【0056】
較正前においては加減算器34には、メモリ35から較正データが出力されないので、A/Dコンバータ33から出力されたデジタルデータは、そのまま加減算器34から温度センサ出力として出力される。
【0057】
ここで、メモリ35に書き込むべき較正データを抽出する動作について説明する。
【0058】
まず、図3に示す主回路11の外側の被温度測定半導体装置10に配置された実温度測定回路25において、第1の実施の形態に係る方法により、半導体基板の実温度(絶対温度)を測定する。実温度(絶対温度)と温度センサ出力との対応関係を示す理想計算式または変換テーブルを用いて実温度測定回路25で求めた実温度に対応する温度センサ出力の値を求め、この温度センサ出力の値と、加減算器34から出力された実際の温度センサ出力との差から較正データを抽出する。
【0059】
図5は、理想計算式および変換テーブルを用いて較正データを抽出する動作を説明する図である。図5において、点線は、予め経験により求められた、実温度(絶対温度)と温度センサ出力との対応関係を表す線であり、理想計算式または変換テーブルとして求められている。実線は、較正前において加減算器34から出力される温度センサ出力を表す線である。
【0060】
具体的には、所定の絶対温度T1における、加減算器34からの温度センサ出力と、理想計算式または変換テーブルから得られる実温度(絶対温度)における温度センサ出力との差である温度センサ出力のオフセット量が較正データである。A/Dコンバータ33から出力されるデジタルデータに、加減算器34でこの温度センサ出力のオフセット量だけ加減算を行えば、加減算器34からの温度センサ出力は、理想計算式または変換テーブルを表す点線に一定の温度範囲でほぼ一致するようになる。
【0061】
抽出された較正データはメモリ35に書き込まれる。メモリ35に較正データが書き込まれた以降は、半導体ダイオード31の順方向電圧値をA/Dコンバータ33でデジタルデータに変換して加減算器34に出力する毎に、加減算器34において、A/Dコンバータ33から出力されるデジタルデータに、メモリ35から出力される較正データを加減算し、加減算器34から、較正された温度センサ出力を、図3に示す主回路11に出力する。
【0062】
加減算器34から出力された温度センサ出力の値は、上述した理想計算式または変換テーブルを表す線にほぼ一致しているので、被制御回路である主回路11は、内蔵する理想計算式(または変換テーブル)を用いて温度センサ出力の値に対応する実温度(絶対温度)を求め、これを制御信号として主回路11が温度変化に対して最適に動作するようにする。例えば、ある温度を超えた場合に、主回路11をシャットダウンするとか、あるいは主回路11に流れる電流を制限する。
【0063】
上述のように、第2の実施の形態の温度較正方法は、第1の実施の形態の温度測定方法を用いることで高精度の温度較正が可能となる。また、この第2の実施の形態は、高い温度精度で被制御回路が最適に動作できるように制御できる。
【0064】
なお、上述した第2の実施の形態において、半導体ダイオードと抵抗の直列接続からなる実温度測定回路25は、被温度測定半導体装置10内であれば、どこでも良いが、主回路11の温度センサ回路26の近傍に設けることが好ましい。
【0065】
また、第2の実施の形態では、半導体ダイオードと抵抗の直列接続からなる実温度測定回路で半導体基板の実温度を測定する場合、半導体装置組立前の半導体基板に形成されたパッド電極に、定電流源および電圧計を接続して温度を測定したが、半導体装置の外部にセンス用外部端子、フォース用外部端子を引き出すようにして、半導体装置の組立後に、ICパッケージの外部から実温度を測定するようにしてもよい。この場合、メモリ35をEPROM等で構成し、半導体装置の組立後に、理想計算式または変換テーブルから得られた較正データを書き込むようにする。
【0066】
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。第3の実施の形態は、センス用外部端子、フォース用外部端子を外部に引き出すことによって、半導体装置の組立後に、ICパッケージの外部から実温度を測定するものである。図6は、第3の実施の形態に係る半導体装置の制御方法を示す図である。図6に示すように、ICパッケージ24は、主回路11の外側の被温度測定半導体装置10に、第1の実施の形態で示した半導体ダイオード13と抵抗12の直列接続からなる温度測定回路を備えている。また、ICパッケージ24は、半導体ダイオード13と抵抗12を直列接続した回路の両端部に接続されたフォース用外部端子41,45を備えており、半導体ダイオード13と抵抗12を直列接続した回路の両端部に半導体ダイオード13と抵抗12に近接して接続されたセンス用外部端子42,44を備えており、さらに、半導体ダイオード13と抵抗12の中間の接続部に半導体ダイオード13に近接して接続されたセンス用外部端子43を備えている。
【0067】
フォース用外部端子41,45間には定電流源28が接続され、センス用外部端子44には、電圧計29の一方の測定端子が接続され、センス用外部端子42,43には、電圧計29の他方の測定端子が切り換えスイッチ40により切り換えて接続される。電圧計29の出力は温度換算器37に接続され、温度換算器37の出力は、第1制御回路38に接続され、第1制御回路38の出力は、被温度測定半導体装置10内の主回路11に接続される。また、第2制御回路39は、定電流源28、電圧計29、切り換えスイッチ40、温度換算器37に接続され、温度測定のために定電流源28、電圧計29および測定端子の制御を行う。
【0068】
電圧計29から出力される信号は、温度換算器37で実温度に換算され、換算された温度で、第1制御回路38は、被温度測定半導体装置10の主回路11に制御信号を供給し、主回路11の消費電力制御、クロック周波数制御、パワーダウン制御等を行って、主回路11が最適に動作するようにする。
【0069】
上述したように、第3の実施の形態では、半導体装置の組立後に、ICパッケージの外部から実温度を測定し、測定温度によって主回路を制御できる。また、半導体装置内部のジャンクション温度等も測定できるようになる。この第3の実施の形態も、第1の実施の形態の温度測定方法を用いることで、高精度のチップ内の温度測定が可能となる。
【0070】
なお、上述した第1、第2および第3の実施の形態では、半導体ダイオードは1段で構成したが、2段以上で構成してもよい。段数を増やすことによって感度を増すことができる。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の内部温度測定方法は、温度を求める式において、ダイオードの飽和電流密度の項を消去することができるため、外部電流印加時にもダイオードの温度較正なしに正確な温度が測定できる。また、絶対温度が測定できる。
【0072】
また、電流を印加するためのフォース用端子と電圧を測定するためのセンス用端子を使用するので、寄生抵抗によるダイオードの電圧降下の影響を最小限に抑えることができる。
【0073】
さらに、フォース用端子とセンス用端子を用いて測定を行うため、外部印加時の端子での電流リークが無視できる。
【0074】
また、温度を求める式において、全ての計算項が測定電圧の差分で成立しており、測定器特有のオフセット電圧をキャンセルすることができるため、オフセット電圧による測定誤差を無視でき、また高精度の電流計なしに精度の高い温度測定が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る内部温度測定方法を説明する図である。
【図2】第2の従来例の温度測定方法と本発明の温度測定方法を示す図である。
【図3】第2の実施の形態に係る被温度測定半導体装置の内部配置図である。
【図4】温度センサ回路と温度較正回路の構成を示すとともに、温度較正の動作を説明する図である。
【図5】理想計算式および変換テーブルを用いて較正データを抽出する動作を説明する図である。
【図6】第3の実施の形態に係る半導体装置の制御方法を示す図である。
【図7】pn接合ダイオードを用いて半導体基板の温度を測定する第1の従来例を示す図である。
【図8】pn接合ダイオードを用いて半導体基板の温度を測定する第2の従来例を示す図である。
【図9】第2の従来例において寄生抵抗による電圧降下により温度測定に誤差が生じることを説明する図である。
【符号の説明】
10,51 被温度測定半導体装置
11,52 主回路
12 抵抗
13,31 半導体ダイオード
14,18 フォース用端子
15,16,17 センス用端子
19,20 寄生抵抗
21,22,28,32 定電流源
23,29 電圧計
24 ICパッケージ
25 実温度測定回路
26 温度センサ回路
27 温度較正回路
33 A/Dコンバータ
34 加減算器
35 メモリ
37 温度換算器
38 第1制御回路
39 第2制御回路
40 切り換えスイッチ
41,45 フォース用外部端子
42,43,44 センス用外部端子
53 pn接合ダイオード
54,55 端子
Claims (9)
- 半導体ダイオードと抵抗の直列接続からなる、基板の実温度を測定するための回路を内部に備え、前記半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端部に接続された2個のフォース用端子と、前記半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端部に半導体ダイオードと抵抗に近接して接続された2個のセンス用端子と、前記半導体ダイオードと抵抗の中間の接続部に半導体ダイオードに近接して接続された1個のセンス用端子を備えることを特徴とする半導体装置。
- 前記第1の順方向電流および第2の順方向電流は、前記半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端に接続された2個のフォース用端子を用いて印加し、前記半導体ダイオード両端での電位差VF1および電位差VF2は、前記半導体ダイオードの両端に近接して接続された2個のセンス用端子を用いて測定し、前記抵抗を含めた場合の両端の電位差VA1および電位差VA2は、前記半導体ダイオードと抵抗を直列接続した回路の両端に近接して接続された2個のセンス用端子を用いて測定することを特徴とする請求項2に記載の内部温度測定方法。
- 前記第1の順方向電流と第2の順方向電流との電流比は、前記半導体ダイオードに流れるリーク電流の影響が出ない値以上、前記半導体ダイオードの抵抗成分の影響が出ない値以下の範囲内で最大であることを特徴とする請求項2または3に記載の内部温度測定方法。
- 第1の半導体ダイオードと抵抗の直列接続からなり、基板の実温度を測定する実温度測定回路と、
第2の半導体ダイオードと、第2の半導体ダイオードに順方向電流を印加するための電流印加回路からなり、前記第2の半導体ダイオードの順方向電圧値に基づく信号を出力する温度センサ回路と、
前記温度センサ回路から出力される信号の値を、基板の前記実温度に対応する信号に較正して出力する温度較正回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記実温度測定回路の第1の半導体ダイオードと抵抗の両端部に接続された2個のフォース用端子と、前記第1の半導体ダイオードと抵抗の両端部に半導体ダイオードと抵抗に近接して接続された2個のセンス用端子と、前記半導体ダイオードと抵抗の中間の接続部に半導体ダイオードに近接して接続された1個のセンス用端子を備えることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 前記温度較正回路は、前記第2の半導体ダイオードの順方向電圧値をデジタルデータに変換するA/Dコンバータと、
前記デジタルデータの較正データを格納するメモリと、
前記デジタルデータに前記メモリから出力される較正データを加減算して基板の実温度に対応する信号を出力する加減算器と、
を備えることを特徴とする請求項5または6に記載の半導体装置。 - 半導体装置の主回路の外側の基板内部に備える半導体ダイオードと抵抗の直列接続回路を用いて、請求項2〜4のいずれかに記載の内部温度測定方法により半導体装置の基板の実温度を測定し、
前記半導体装置の主回路の内部に備える半導体ダイオードの順方向電圧値をデジタルデータに変換して加減算器に出力し、
実温度と温度センサ出力との対応関係を示す理想計算式または変換テーブルを用いて前記半導体装置の基板の実温度に対応する温度センサ出力の値を求め、
求められた前記温度センサ出力の値と、前記加減算器から出力される温度センサ出力の値との差から較正データを抽出し、
抽出された較正データをメモリに書き込み、
前記メモリに較正データを書き込んだ以降は、前記半導体ダイオードの順方向電圧値をデジタルデータに変換して前記加減算器に出力する毎に、前記加減算器において前記デジタルデータに、前記メモリから出力される較正データを加減算して、前記加減算器から温度センサ出力を出力することを特徴とする内部温度較正方法。 - 温度を測定するための第1の半導体ダイオードと抵抗の直列接続回路と、温度を測定するための第2の半導体ダイオードとを備え、前記第2の半導体ダイオードの順方向電圧値をデジタルデータに変換して加減算器に出力する毎に、前記加減算器において前記デジタルデータに、内蔵メモリから出力される較正データを加減算して、前記加減算器から温度センサ出力を出力する半導体装置の製造方法において、
前記直列接続回路を用いて実温度を測定する工程と、
実温度と温度センサ出力との対応関係を示す理想計算式または変換テーブルを用いて前記直列接続回路で測定した実温度に対応する温度センサ出力の値を求める工程と、
求められた前記温度センサ出力の値と、前記第2の半導体ダイオードから出力される温度センサ出力の値との差から較正データを抽出する工程と、
抽出された較正データを前記内部メモリに書き込む工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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