(57)【要約】【課題】半導体装置の基板の温度を正確に測定する。【解決手段】半導体ダイオード１３に、抵抗１２を介して電流Ｉ１　および電流Ｉ２　を印加して、電流Ｉ１　を回路に流した場合の半導体ダイオード１３の両端での電位差ＶＦ１と、抵抗１２を含めた場合の両端の電位差ＶＡ１と、電流Ｉ２　を回路に流した場合の半導体ダイオード１３の両端での電位差ＶＦ２と、抵抗１３を含めた場合の両端の電位差ＶＡ２とを求め、Ｔ＝（ｑ／ｋ）（ＶＦ１−ＶＦ２）／ｌｎ｛（ＶＡ１−ＶＦ１）／（ＶＡ２−ＶＦ２）｝（Ｔ：絶対温度，ｋ：ボルツマン定数，ｑ：電子の電荷）の式を用いて温度を測定する。【選択図】　　　図１
2004134472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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端子と、前記半導体ダイオードと抵抗の中間の接続部に接続された１端子を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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前記半導体ダイオードに、前記抵抗を介して第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、前記第１の順方向電流を回路に流した場合の前記半導体ダイオード両端での電位差ＶＦ１と、前記抵抗を含めた場合の両端の電位差ＶＡ１と、前記第２の順方向電流を回路に流した場合の前記半導体ダイオード両端での電位差ＶＦ２と、前記抵抗を含めた場合の両端の電位差ＶＡ２とを求め、
【数１】
2004134472.tif 000016
Ｔ：絶対温度
ｋ：ボルツマン定数
ｑ：電子の電荷
の式を用いて前記半導体装置の基板の温度を測定することを特徴とする内部温度測定方法。
【請求項４】
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３に記載の内部温度測定方法。
【請求項５】
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３または４に記載の内部温度測定方法。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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６に記載の半導体装置。
【請求項８】
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６または７に記載の半導体装置。
【請求項９】
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３〜５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。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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】
2004134472.tif 000003
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】
2004134472.tif 000004
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】
2004134472.tif 000005
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】
2004134472.tif 000006
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】
2004134472.tif 000007
【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】
2004134472.tif 000008
【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】
2004134472.tif 000009
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】
2004134472.tif 000010
となり、電流比Ｉ１　／Ｉ２　は、
【数１０】
2004134472.tif 000011
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】
2004134472.tif 000012
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】
2004134472.tif 000013
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】
2004134472.tif 000014
【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】
2004134472.tif 000015
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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