TWI674418B - 感測裝置及其檢查方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種感測裝置，無須設置專用端子，而可實現利用自發熱的高溫檢查，抑制了因追加測試焊墊造成的晶片佔用面積增大而導致的成本增加。感測裝置採用了下述結構，其具備對輸出驅動器的主動邏輯進行切換的主動邏輯切換電路，將輸出驅動器作為發熱源，在檢查步驟中一邊對輸出驅動器的主動邏輯進行切換一邊進行加熱檢查。

Description

感測裝置及其檢查方法
本發明是有關於一種將從外部施加的物理量轉換為二元的電壓信號位準(level)的感測(sensor)裝置及其檢查方法，且是有關於一種無須追加佔用面積大的測試焊墊(test pad)而可實施利用自發熱的高溫檢查的感測裝置及其檢查方法。
對於半導體裝置，為了在製造後確認其功能與特性滿足製品標準，須在晶圓(wafer)狀態或封裝(package)狀態下進行檢查。理想的是，不僅在常溫下，而且亦在一般容易引起特性變動或功能不良的高溫狀態下進行檢查，但為了使周圍溫度上升來進行此種高溫檢查，需要導入裝置或追加檢查時間，從而導致成本增加。
以往，為了解決此種課題，曾嘗試在常溫狀態下使晶片(chip)的接面溫度上升以實施高溫檢查。
圖11是以往的可實現利用自發熱的高溫檢查的半導體裝置的方塊圖。以往的半導體裝置1具有電源端子2、接地端子3、輸出端子4、測試端子100、以及連接於測試端子100的加熱用電阻元件101。藉由自測試端子100供給電壓或電流來使加熱用電阻 元件101發熱，從而可實現在使晶片的接面溫度上升的狀態下使半導體裝置進行動作的高溫檢查。
而且，圖12是專利文獻1所揭示的、可實現利用自發熱的高溫檢查的半導體裝置。半導體裝置1具有電源端子2、接地端子3、輸出端子4、在檢查時的測定中未被使用的端子102、以及連接於端子102的靜電放電(Electro-Static Discharge，ESD)保護元件等寄生PN接面103、104。該結構中，藉由從端子102向寄生PN接面103或寄生PN接面104供給順向電流來使寄生PN接面發熱，從而可實現在使晶片的接面溫度上升的狀態下使半導體裝置進行動作的高溫檢查。
如此，利用專用端子或在檢查時的測定中未被使用的現有端子，使內部元件藉由自發熱來使接面溫度上升，以實施高溫檢查。而且，在高溫檢查環境下可生成的周圍溫度的上限不滿足所需溫度的情況下，亦可利用自發熱來達到高於周圍溫度的接面溫度，從而可實現所需溫度下的檢查。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平10-135286號公報
然而，以往的半導體裝置中，需要用於對發熱元件供給 電壓或電流的專用端子，或者需要對ESD保護元件的寄生PN接面供給電壓或電流，所述ESD保護元件連接於在檢查時的測定中未被使用的端子。
在以磁開關為代表的三端子的感測裝置中，除了電源端子、接地端子、輸出端子以外不具有其他端子，因此原本不存在檢查時的測定中未被使用的端子，而且若欲在晶片內重新設置測試焊墊或加熱用電阻元件，則存在導致晶片面積增大，從而產生成本上的缺點(demerit)的課題。
而且，三端子封裝中，存在無法設置用於進行封裝狀態下的加熱測試的專用端子的課題。
為了解決以往的課題，本發明的感測裝置採用了如下所述的結構。
感測裝置採用了下述結構，其根據對感測元件施加的物理量來切換輸出驅動器的通斷，該感測裝置具備對輸出驅動器的主動邏輯(active logic)進行切換的主動邏輯切換電路，將輸出驅動器作為發熱源，在檢查步驟中一邊對輸出驅動器的主動邏輯進行切換一邊進行加熱檢查。
根據本發明，可提供一種感測裝置，其具備對輸出驅動器的主動邏輯進行切換的主動邏輯切換電路，並利用輸出驅動器來作為加熱用元件，藉此無須新設置專用端子或加熱用元件，而 可實現利用自發熱的高溫檢查，抑制了因追加測試焊墊造成的晶片面積增大而導致的成本增加。
1‧‧‧感測裝置
2‧‧‧電源端子
3‧‧‧接地端子
4‧‧‧輸出端子
5‧‧‧感測電路
6‧‧‧主動邏輯切換電路
7‧‧‧輸出驅動器
8‧‧‧感測輸出邏輯信號
9‧‧‧驅動器控制信號
10‧‧‧雷射修整熔絲
11‧‧‧下拉元件
12‧‧‧主動邏輯切換信號
21~30‧‧‧電晶體
31~33‧‧‧N型增強型電晶體
34、35‧‧‧P型增強型電晶體
36‧‧‧N型空乏型電晶體
37‧‧‧反相器
38‧‧‧AND閘
39‧‧‧D型正反器
40‧‧‧EXOR閘
41‧‧‧高電壓檢測信號
42‧‧‧切換CLK信號
43‧‧‧輸入信號
100‧‧‧測試端子
101‧‧‧加熱用電阻元件
102‧‧‧端子
103、104‧‧‧寄生PN接面
200‧‧‧電源
201‧‧‧輸出電壓電源
202‧‧‧電流計
Bin‧‧‧磁通密度
BOP、BRP‧‧‧感測特性
IOM‧‧‧固定輸出電流
L‧‧‧負載線
Pd‧‧‧消耗電力
RPU‧‧‧上拉電阻
Ta‧‧‧周圍溫度
Tj‧‧‧接面溫度
VDSAT‧‧‧飽和電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
VPU‧‧‧上拉電壓
θ‧‧‧熱電阻
圖1是本發明的感測裝置的方塊圖。
圖2是表示與本發明的感測裝置相關的第1狀態的磁電轉換特性的圖。
圖3是表示與本發明的感測裝置相關的第2狀態的磁電轉換特性的圖。
圖4(a)、圖4(b)是表示與本發明的感測裝置相關的輸出驅動器電流及消耗電力的輸出電壓依存的圖。
圖5(a)、圖5(b)是表示與本發明的感測裝置相關的感測特性的溫度依存的圖。
圖6是表示本發明的感測裝置的檢查時的測定電路的圖。
圖7是表示本發明的感測裝置的檢查流程(flow)的一例的流程圖。
圖8是表示本發明的感測裝置的主動邏輯切換電路的一例的電路圖。
圖9是表示本發明的感測裝置的主動邏輯切換電路的另一例的電路圖。
圖10是表示本發明的感測裝置的動作的時序圖(timing chart)。
圖11是表示以往的可實現高溫檢查的半導體裝置的一例的方塊圖。
圖12是表示以往的可實現高溫檢查的半導體裝置的另一例的方塊圖。
以下，參照圖式來說明本發明的感測裝置。
圖1是表示本發明的感測裝置的概念的方塊圖。感測裝置根據對感測元件施加的物理量來切換輸出驅動器7的通斷(ON/OFF)狀態。
本發明的感測裝置1具備電源端子2、接地端子3、輸出端子4、感測電路5、主動邏輯切換電路6以及輸出驅動器7。
本實施形態中，設感測裝置1為交變偵測型的磁感測電路來進行說明。
感測電路5根據所輸入的磁鏈磁通密度的極性與大小來輸出感測輸出邏輯信號8。主動邏輯切換電路6將所輸入的感測輸出邏輯信號8根據切換狀態而轉換為正邏輯或負邏輯，並作為驅動器控制信號9而輸出。輸出驅動器7的閘極(gate)被輸入驅動器控制信號9，汲極(drain)由連接於輸出端子4的電阻予以上拉(pull up)。輸出驅動器7在驅動器控制信號9為「H」時成為導通狀態而從輸出端子4輸出「L」，在驅動器控制信號9為「L」時成為斷 開狀態而從輸出端子4輸出「H」。
圖2是表示本發明的感測裝置的第1狀態下的磁電轉換特性的圖。Bin表示所施加的磁通密度，Vout表示在晶片外部上拉輸出端子4時所輸出的輸出電壓。主動邏輯切換電路6在第1狀態下，根據磁通密度而被設定為圖示的輸出邏輯。
圖3是表示本發明的感測裝置的第2狀態下的磁電轉換特性的圖。主動邏輯切換電路6在第2狀態下，被設定成輸出邏輯與第1狀態為反相。
圖4(a)、圖4(b)是表示輸出驅動器的導通狀態下的輸出電流(Iout)及消耗電力的輸出電壓(Vout)依存的圖。在通常使用時，如負載線L所示，是在由連接於外部的上拉電壓VPU與上拉電阻RPU進行電流限制的狀態下所使用，因此輸出電壓不會超過飽和電壓VDSAT。因而，輸出驅動器7進行電阻區域動作，作為電阻體而發揮作用。另一方面，在檢查時從外部施加輸出電壓，若所施加的輸出電壓超過飽和電壓VDSAT，則輸出驅動器7成為飽和區域(恆電流)動作，由構成輸出驅動器7的電晶體(transistor)的長寬(Width/Length，W/L)比與轉換電導(transconductance)係數所決定的固定輸出電流IOM流動。此時，輸出驅動器7的消耗電力(即發熱量)為Pd=Vout．IOM，可藉由從外部施加的輸出電壓Vout的大小來控制晶片的發熱量。
圖5(a)、圖5(b)是表示與本發明的感測裝置相關的感測特性的溫度依存的圖。圖5(a)為第1狀態。當Bin<BOP 時，輸出驅動器7為斷開狀態(相當於輸出電壓「H」)，無電流流動，因此，對於晶片而言，由於輸出驅動器7不會自發熱，因而接面溫度Tj大致等於周圍溫度Ta。當施加S極磁場而成為Bin>BOP時，輸出驅動器7導通(相當於輸出電壓「L」)。此時，對Tj=Ta時的BOP進行測定。
當輸出驅動器7在導通狀態下發熱時，晶片受到加熱，經過由以依存於周圍環境的熱電阻與熱容量之積表示的時間常數所決定的時間後，接面溫度Tj成為Ta+θ．Pd。此處，θ為依存於晶片與周圍環境的熱電阻，Pd為輸出驅動器7的消耗電力。
接下來，當施加N極磁場而成為Bin<BRP時，輸出驅動器7成為斷開狀態(相當於輸出電壓「H」)。此時，對Tj=Ta+θ．Pd時的BRP進行測定。
圖5(b)為第2狀態。當Bin<BOP時，輸出驅動器7為導通狀態，對於晶片而言，由於輸出驅動器7發熱，因此Tj=Ta+θ．Pd。當施加S極磁場而成為Bin>BOP時，輸出驅動器7斷開(相當於輸出電壓「H」)。此時，對Tj=Ta+θ．Pd時的BOP進行測定。在驅動器斷開狀態下，由於輸出驅動器7不發熱，因此晶片在周圍環境下受到冷卻，經過由以依存於晶片和周圍環境的熱電阻與熱容量之積表示的時間常數所決定的時間後，接面溫度Tj成為Ta。隨後，當施加N極磁場而成為Bin<BRP時，輸出驅動器7導通(相當於輸出電壓「L」)。此時，對Tj=Ta時的BRP進行測定。
此處，為Pd=Vout．IOM，若對Tj的數式進行變形，則表達為Vout=(Tj-Ta)/(θ．IOM)=△T/(θ．IOM)。例如，若設Tj=125℃、Ta=25℃、θ=0.2℃/mW、IOM=50mA，則可提供輸出電壓Vout為10V。而且，若設Tj=150℃、Ta=85℃、θ=0.2℃/mW、IOM=50mA，則可提供輸出電壓Vout為6.5V。該輸出電壓Vout為可對輸出端子4施加的額定電壓，可上升的晶片的溫度上限受到限制。
如以上所說明般，藉由一邊切換第1狀態與第2狀態一邊掃描輸入磁通密度，從而可對接面溫度Tj為Ta時與為Ta+θ．Pd時的感測磁特性BOP及BRP進行測定。
圖6是表示本發明的感測裝置的檢查時的測定電路的圖。在電源端子2上連接有電源200，在輸出端子4上連接有輸出電壓電源201及電流計202。電源200對感測裝置供給動作用的電源電壓。輸出電壓電源201對輸出驅動器7供給加熱用的電壓。電流計202對加熱電流進行監控(monitoring)，以調節輸出電壓電源201的輸出電壓。對電流是流經電流計202抑或是被阻斷進行監控，從而可判定輸入磁通密度Bin是否超過BOP或BRP。
圖7是表示本發明的感測裝置的檢查流程的一例的流程圖。藉由此種檢查流程，可對接面溫度Tj為Ta及為Ta+θ．Pd時的感測磁特性BOP、BRP進行測定。以下，使用圖來說明用於實現該檢查流程的感測裝置的電路例。
圖8是表示本發明的感測裝置的主動邏輯切換電路6的一例的電路圖。
圖8的主動邏輯切換電路6具有雷射修整熔絲(laser trimming fuse)10、下拉(pull down)元件11、電晶體21~30、反相器(inverter)37。雷射修整熔絲10、下拉元件11串聯連接於電源端子2與接地端子3之間，其中點電壓為主動邏輯切換信號12。雷射修整熔絲10可藉由雷射修整裝置而在晶圓檢查步驟中予以熔斷。當下拉元件11的電阻值相對於雷射修整熔絲10的電阻值而足夠小時，主動邏輯切換信號12在雷射修整熔絲10為熔斷前的狀態下為「H」，在熔斷後的狀態下為「L」。
此處，電晶體21~30與反相器37構成互斥或電路40，其輸入的其中一個連接於感測輸出邏輯信號8，另一個連接於主動邏輯切換信號12，其輸出連接於驅動器控制信號9。在雷射修整熔絲10為熔斷前的狀態下，驅動器控制信號9是作為感測輸出邏輯信號8的正邏輯(與第1狀態對應)而輸出，在雷射修整熔絲10為熔斷後的狀態下，驅動器控制信號9是作為感測輸出邏輯信號8的負邏輯(與第2狀態對應)而輸出。
如此，可在利用雷射來熔斷雷射修整熔絲10的前後切換驅動器控制信號9的正負。如上所述，主動邏輯切換電路6由第1狀態切換為第2狀態，對驅動器控制信號9的正負進行切換，藉此可對接面溫度Tj為Ta及為Ta+θ．Pd時的感測特性BOP及BRP進行測定。
圖8的主動邏輯切換電路6是構成為，將雷射修整熔絲10、下拉元件11分別連接於電源端子2側、接地端子3側，從而 主動邏輯切換信號12在熔斷前為「H」，在熔斷後為「L」，但亦可構成為，將雷射修整熔絲10、下拉元件11分別連接於接地端子3側、電源端子2側，從而主動邏輯切換信號12在熔斷前為「L」，在熔斷後為「H」。
而且，亦可取代下拉元件11而使用將閘極端子連接於接地端子3的空乏型電晶體(depression transistor)。由於電晶體21~30與反相器37為邏輯閘，因此只要以所使用的製造製程(process)的最小尺寸電晶體來實現即可，當然能以遠比追加測試焊墊所需的佔用面積(通常為100μm×100μm左右)小的安裝面積來實現。
圖9是表示本發明的感測裝置的主動邏輯切換電路6的另一例的電路圖。
圖9的主動邏輯切換電路6具有N型增強型電晶體(enhancement transistor)31~33、P型增強型電晶體34~35、N型空乏型電晶體36、反相器37、AND閘(AND gate，及閘)38、D型正反器(flip-flop)39、EXOR閘(EXOR gate，互斥或閘)40。雖未圖示，但在D型正反器39中設置有重置(reset)端子，電源啟動後的初始內部狀態為「L」。
圖10是表示圖9所示的主動邏輯切換電路6的動作的時序圖。
N型空乏型電晶體36的閘極連接於接地端子，作為恆電流源進行動作。P型增強型電晶體34~35作為電流鏡(current mirror) 電路進行動作，對電晶體31~33供給將由N型空乏型電晶體36所生成的微小的恆電流放大規定係數倍的電流。電晶體31~33在連接於電源端子2的電晶體31的閘極電壓低於3．VTH時斷開。
此處，3．VTH被設定成，比感測裝置通常使用的電源電壓的上限高，且比構成感測裝置的電晶體的額定電壓低。此時，反相器37的輸入信號43為「H」，反相器37的輸出信號即高電壓檢測信號41為「L」。AND閘38的輸出即切換CLK信號42無論感測輸出邏輯信號8如何而始終為「L」，CLK信號不會被輸入至D型正反器39的CLK端子，與EXOR閘40的其中一個輸入連接的主動邏輯切換信號12為「H」。在此狀態下，EXOR閘40的輸出即驅動器控制信號9作為感測輸出邏輯信號8的正邏輯(與第1狀態對應)而輸出。
接下來，當電晶體31的閘極電壓超過3．VTH時，電晶體31~33為導通，反相器37的輸入信號43為「L」。此時，高電壓檢測信號41為「H」，切換CLK信號42變得與感測輸出邏輯信號8相等。此處，藉由以成為Bin>BOP的方式來掃描施加磁通密度，從而當使感測輸出邏輯信號8由「H」轉變為「L」，並且使切換CLK信號42由「H」轉變為「L」時，向D型正反器39的CLK端子輸入下降CLK信號。
此時，D型正反器39將內部狀態由「L」(Q=「L」/QX=「H」)切換為「H」(Q=「H」/QX=「L」)，與EXOR閘40的其中一個輸入連接的主動邏輯切換信號12由「H」切換為「L」。在此 狀態下，EXOR閘40的輸出即驅動器控制信號9是作為感測輸出邏輯信號8的負邏輯(與第2狀態對應)而輸出。
如此，可藉由對電源端子2施加的電壓與施加磁通密度Bin來切換輸出驅動器7的主動邏輯。要使主動邏輯切換電路6由第2狀態恢復為原始的第1狀態，只要同樣在使電源端子2的電壓超過3．VTH的狀態下以成為Bin>BOP的方式來掃描磁場，從而使感測輸出邏輯信號8由「H」轉變為「L」即可。
如前所述，主動邏輯切換電路6由第1狀態切換為第2狀態，對驅動器控制信號9的正負進行切換，藉此，可對接面溫度Tj為Ta及為Ta+θ．Pd時的感測特性BOP、BRP進行測定。
圖9的電路中，對於N型增強型電晶體31~33採用了三層縱疊的結構，但亦可鑒於感測器通常使用的電源電壓的範圍或電晶體的額定電壓來採用任意層數，採用n層縱疊時的高電壓檢測的臨限值為n．VTH。
而且，使用了N型增強型電晶體，但亦可使用P型增強型電晶體。
而且，作為恆電流源，使用了將閘極端子連接於接地端子3的空乏型電晶體，但只要可生成微小的恆電流即可，亦可使用其他的恆電流電路。
而且，為了保持主動邏輯切換狀態而使用了D型正反器，但亦可使用T型或JK型等的其他正反器並適當變更前後的閘極結構。
如此，藉由設置電源端子2、接地端子3、輸出端子4、感測電路5、主動邏輯切換電路6及輸出驅動器7，並利用輸出驅動器7來作為發熱元件，從而無須設置專用端子，而可實現利用自發熱的高溫檢查，可提供一種感測裝置，其抑制了因新裝置的導入或檢查時間的增大、追加測試焊墊造成的晶片佔用面積增大所導致的成本增加。
在說明書中的實施形態中，對使用雷射修整熔絲的主動邏輯切換電路、使用高電壓檢測電路的主動邏輯切換電路進行了說明，但可在不脫離本發明的主旨的範圍內適用各種切換電路。
而且，實施形態中，對於主動邏輯切換電路使用了EXOR閘，但亦可使用包含多個並聯傳輸閘(transmission gate)的選擇電路(selector circuit)。
而且，在說明書中的實施形態中，以感測電路5為交變偵測型磁開關而進行了說明，但亦可為其他的二元輸出的磁感測器，例如單極偵測型磁開關、雙極偵測型磁開關，亦可適用於其他的二元輸出的物理量感測器，例如電流開關、加速度開關或照度開關。
本說明書中，對發明的較佳實施形態進行了描述，但所述描述只是本發明原理的簡單例示，因而，本領域技術人員可不脫離本發明的範圍及主旨而實施各種變更。

Claims (3)

  1. 一種感測裝置，包含電源端子、接地端子及輸出端子這三端子的半導體裝置，根據對感測元件施加的物理量來切換輸出驅動器的通斷狀態，所述感測裝置的特徵在於包括：感測電路，根據所述物理量的大小來輸出二元的感測輸出邏輯信號；以及主動邏輯切換電路，輸入所述感測輸出邏輯信號，對所述輸出驅動器的通斷狀態進行切換控制，所述主動邏輯切換電路根據在內部生成的主動邏輯切換信號，來對所輸入的所述感測輸出邏輯信號的邏輯進行切換，所述主動邏輯切換電路包括：互斥或電路，接收所述感測輸出邏輯信號與所述主動邏輯切換信號，並且輸出驅動器控制信號至所述輸出驅動器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的感測裝置，其中所述主動邏輯切換電路更包括：高電壓檢測電路，藉由所述電源端子的電壓來切換輸出所述主動邏輯切換信號，正反器電路，所述正反器電路根據所述感測輸出邏輯信號的轉變來保持所述高電壓檢測電路所輸出的所述主動邏輯切換信號。
  3. 一種感測裝置的檢查方法，其是如申請專利範圍第1項或第2項所述的感測裝置的檢查方法，所述感測裝置的檢查方 法的特徵在於包括下述步驟：對所述電源端子施加第一電壓，對所述輸出端子施加第二電壓，將所述感測裝置設定為第一狀態；在所述第一狀態下使所述物理量增加，對所述物理量進行檢測，藉此來對所述輸出驅動器的輸出反相的時刻的所述物理量進行測定；在所述第一狀態下使所述物理量減少，不對所述物理量進行檢測，藉此來對所述輸出驅動器的輸出反相的時刻的所述物理量進行測定；對所述電源端子施加比所述第一電壓高的第三電壓，將所述感測裝置設定為第二狀態；在所述第二狀態下使所述物理量增加，對所述物理量進行檢測，藉此來對所述輸出驅動器的輸出反相的時刻的所述物理量進行測定；以及在所述第二狀態下使所述物理量減少，不對所述物理量進行檢測，藉此來對所述輸出驅動器的輸出反相的時刻的所述物理量進行測定。
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