半導體器件和電子設備的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本申請涉及半導體器件以及使用該半導體器件的電子設備，諸如無線通信終端。
【背景技術】
[0002]專利文獻I公開了將半導體芯片(裸片)劃分為多個電路塊并針對每個電路塊控制電源的技術。例如，通過停止向不是正在操作的不需要的電路塊提供電源來減少漏電流。因此，該技術可以降低半導體集成電路器件(例如，IC(集成電路)、LSI (大規(guī)模集成)、系統(tǒng)LSI和SoC(芯片上系統(tǒng))器件)的功耗。
[0003]引用列表
[0004]專利文獻
[0005][專利文獻I]日本未審查專利申請公開第2012-4582號

【發(fā)明內容】

[0006]本申請的發(fā)明人在開發(fā)用于無線通信終端的諸如系統(tǒng)LSI (SoC器件)的半導體器件(半導體集成電路器件)的過程中發(fā)現(xiàn)了各種問題。為了解決這些問題，通過本申請的發(fā)明人得到的技術想法能夠提供可適當?shù)赜糜跓o線通信終端等的半導體集成電路器件以及使用半導體集成電路器件的無線通信終端。將根據以下實施例的描述和附圖來明確這些技術想法的多個具體示例。
[0007]解決問題的方案
[0008]在一個方面中，一種半導體器件包括其中集成有溫度傳感器的半導體芯片。溫度傳感器包括被配置為能夠基于半導體芯片的芯片溫度間歇生成傳感器信號的電路。
[0009]本發(fā)明的有利效果
[0010]根據上述方面，可以提供可適當用于無線通信終端等的半導體器件以及使用半導體器件的諸如無線通信終端的電子設備。
【附圖說明】
[0011]圖1是示出漏電流的晶體管的截面圖。
[0012]圖2是示出根據比較示例的SoC器件的功耗的曲線圖。
[0013]圖3是示出根據比較示例的SoC器件的功耗的曲線圖。
[0014]圖4A是示出根據實施例的無線通信終端的結構示例的概要圖。
[0015]圖4B是示出根據實施例的無線通信終端的結構示例的示圖。
[0016]圖5是示出根據實施例的無線通信終端的結構示例的示圖。
[0017]圖6是示出用于控制溫度傳感器或者溫度傳感器的部分(例如，模擬電路)的操作的使能信號的一個示例的波形圖。
[0018]圖7是示出根據實施例的包括在SoC器件中的溫度傳感器的結構示例的示圖。
[0019]圖8是示出根據實施例的包括在溫度傳感器中的比較器的結構示例的示圖。
[0020]圖9A是示出根據實施例的提供給包括在溫度傳感器中的模擬模塊的使能信號的一個示例的波形圖。
[0021]圖9B是示出根據實施例的提供給包括在溫度傳感器中的模擬模塊的使能信號的另一個示例的波形圖。
[0022]圖1OA是示出根據實施例的SoC器件的平面圖的一個示例的示圖。
[0023]圖1OB是示出根據實施例的SoC器件的平面圖的另一個示例的示圖。
[0024]圖11是示出根據實施例的SoC器件中的電源區(qū)域的層的示圖。
[0025]圖12是示出根據實施例的功能塊與SoC器件中的電源區(qū)域的層之間的對應關系的示圖。
[0026]圖13是示出根據實施例的SoC器件的兩個操作狀態(tài)(具體地，待機狀態(tài)和最小操作狀態(tài))下的功耗的曲線圖。
[0027]圖14是示出根據實施例的用于SoC器件的較低功耗的操作狀態(tài)的轉變的示圖。
[0028]圖15A是示出根據實施例的SoC器件的操作狀態(tài)的轉變與芯片溫度之間的關系的示圖。
[0029]圖15B是示出根據實施例的SoC器件的操作狀態(tài)的轉變與芯片溫度之間的關系的示圖。
[0030]圖16是示出根據實施例的包括在SoC器件中的溫度傳感器的結構示例的示圖。
[0031]圖17是示出根據實施例的包括在SoC器件中的溫度傳感器的操作模式切換過程的一個示例的流程圖。
【具體實施方式】
[0032]以下將參照附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施例。注意，在附圖的描述中，相同的元件將通過相同的參考符合來表示，并且根據需要省略多余的描述以簡化說明。
[0033]〈比較示例的描述〉
[0034]首先，以下描述根據本申請的發(fā)明人研宄的比較示例的半導體器件。隨著微型制造技術的發(fā)展，在用于無線通信終端的諸如SoC器件的半導體器件中要求更大的功能性和更高的效率，因而功耗和熱量生成越來越多。為了防止半導體器件的熱耗散，已知溫度傳感器與其他功能塊一起置于半導體芯片上使得通過芯片上的溫度傳感器測量半導體芯片的溫度的結構。注意，熱耗散是IC封裝的內部溫度由于熱生成率超過熱耗散率而持續(xù)增加的狀態(tài)。此外，如后面所描述的，功耗的降低是需要解決的主要問題。另一方面，由于芯片上溫度傳感器包括諸如BGR(帶隙參考)、比較器和輸出緩沖器的模擬模塊，所以降低操作期間的功耗存在限制。因此，考慮到當不需要測量溫度時停止芯片上溫度傳感器的操作。
[0035]在上述背景下，根據本申請的發(fā)明人所研宄的比較示例的半導體器件包括芯片上溫度傳感器。根據比較示例的半導體器件向芯片上溫度傳感器提供電能并在整個器件的功耗較高且熱耗散的可能性較高的第一操作狀態(tài)(高功耗狀態(tài))下連續(xù)地測量芯片溫度。注意，在本說明書中，提供有電能的芯片上溫度傳感器總是連續(xù)測量芯片溫度的操作被稱為“連續(xù)操作”。另一方面，在整個器件的功耗較低且熱耗散的可能性較低的第二操作狀態(tài)(低功耗狀態(tài))下，根據比較示例的半導體器件停止芯片上溫度傳感器的操作并停止向芯片上溫度傳感器的模擬量提供電能。當半導體器件處于第二操作狀態(tài)時，操作中的電路(例如，電路模塊、功能塊、宏或IP核)的數(shù)量少于第一操作狀態(tài)期間的操作中的電路的數(shù)量，因此功耗低于第一操作狀態(tài)期間的功耗。
[0036]在半導體器件為用于無線通信終端的SoC器件的情況下，執(zhí)行無線數(shù)據通信、視頻播放等的操作狀態(tài)(例如，正常操作狀態(tài)、通信狀態(tài)(連接狀態(tài))、視頻播放狀態(tài)或最大操作狀態(tài))對應于第一操作狀態(tài)。例如，在第一操作狀態(tài)期間，SoC器件向具有高功耗的功能塊(諸如應用處理器、圖像處理器和基帶處理器)提供電能，并操作這些功能塊。另一方面，用于無線通信終端的SoC器件的待機狀態(tài)對應于第二操作狀態(tài)。在待機狀態(tài)下，SoC器件僅執(zhí)行有限的操作，包括不連續(xù)接收以響應來自無線通信網絡的尋呼。因此，待機模式的SoC器件可停止向應用處理器(或其部分)和圖像處理器提供電能或者減小它們的電源電壓，同時操作基帶處理器(或其部分)來檢測尋呼。
[0037]<基于熱分析模擬的考慮>
[0038]然而，本申請的發(fā)明人基于熱分析仿真進行了詳細的研宄，并發(fā)現(xiàn)存在即使在低功耗狀態(tài)(諸如待機狀態(tài))也會在半導體器件中發(fā)生熱耗散的可能性。這主要由漏電流的增加引起。參照圖1描述漏電流。圖1是MOSFET的截面圖。隨著MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)的閾值電壓的降低，當MOSFET截止時，亞閾值漏電流在漏極93和源極92之間的流動。亞閾值漏電流具有較大的溫度依賴性，因此亞閾值漏電流隨著MOSFET的結溫度(溝道溫度)的增加而增加。此外，隨著柵極絕緣膜94由于MOSFET的微型制造而變薄，柵極漏電流(柵極隧道電流)GIDL(柵極誘發(fā)的漏極泄漏)增加。柵極漏電流在柵極91和硅襯底90之間(或者在柵極91和源極92之間或者柵極91與漏極93之間)流動，這是因為電子通過隧道效應而穿過柵極絕緣膜。由于柵極91和漏極92之間的電場引起隧道效應，所以GIDL流過漏極93和襯底90。
[0039]圖2是示出通過對SoC器件的熱仿真分析獲得的用于無線通信終端的特定SoC器件的最大操作狀態(tài)下的功耗與結溫度(溝道溫度)Tj之間的關系的示圖。圖2中的實線LI表示SoC器件的總功耗。SoC器件的總功耗包括SoC器件操作期間流過的電流所引起的功耗(操作電流分量)和漏電流所引起的功耗(漏電流分量)。圖2中的交替長短虛線L2表示操作電流分量，以及虛線L3表示漏電流分量。從圖2可以理解，當結溫度變得較高時，漏電流分量(L3)超過操作電流分量(L2)。
[0040]圖3示出了 SoC器件的最大操作狀態(tài)下的功耗(圖3中的L4)(這與圖2相同)以及SoC器件的待機狀態(tài)下的功耗(圖3中的L5)。此外，圖3中的兩直虛線L6和L7分別表示當室溫Ta為30°C和90°C時的最大允許功率Pd。通過以下等式(I)來限定最大允許功率Pd:
[0041]Pd = (Tj-Ta)/Θ ja (I)
[0042]其中，Tj是結溫度，Ta是室溫，以及Θ ja是結溫度(Tj)與室溫(Ta)之間的熱阻[°C /W]。
[0043]SoC器件可在表示SoC器件的功耗的曲線(L4或L5)與表示最大允許功率Pd的直線(L6或L7)之間沒有交叉的環(huán)境下進入熱耗散。換句話說，圖3中的SoC器件可在室溫Ta達到大約90°C時(即使處于待機狀態(tài))進入熱耗散。
[0044]從上面的描述可以明顯看出，根據比較示例的半導體器件(其中，芯片上溫度傳感器在第一操作狀態(tài)(例如，正常操作狀態(tài)、通信狀態(tài)(連接狀態(tài))、視頻播放狀態(tài)或最大操作狀態(tài))期間連續(xù)操作，以及芯片上溫度傳感器在第二操作狀態(tài)(例如，低功耗狀態(tài)或待機狀態(tài))期間停止操作)具有其在第二操作狀態(tài)期間會經歷熱耗散的問題。解決該問題的一種方法是使芯片上溫度傳感器在第二操作狀態(tài)期間連續(xù)操作，就如第一操作狀態(tài)期間一樣。然而，該方法不能在第二操作狀態(tài)期間實現(xiàn)功耗的降低。
[0045]考慮到上述問題，本申請的發(fā)明人對半導體器件(例如SoC器件)的結構和操作進行了研宄，在芯片上溫度傳感器測量其中的溫度的同時，可以在第二操作狀態(tài)期間抑制功耗的增加。發(fā)明人將注意力集中于第二操作狀態(tài)期間的芯片溫度增加速度(增加率)低于第一操作狀態(tài)器件的芯片溫度增加速度的事實，這是因為第二操作期間整個器件的功耗和熱生成低于第一操作狀態(tài)期間整個器件的功耗和熱生成。在根據本申請的發(fā)明人獲得的技術想法的一個實施例中，半導體器件具有芯片上溫度傳感器間歇測量芯片溫度的結構。下文描述該實施例。
[0046]第一實施例
[0047]<無線通信終端(電子設備)的概述>
[0048]根據該實施例的無線通信終端100包括半導體器件(例如，諸如SoC器件的半導體集成電路)20以及連接至SoC器件20的外圍IC (例如，電能管理IC和RF (射頻)-1C)和外圍設備(例如，顯示器、相機和輸入設備)。圖4A和圖4B是示出無線通信終端100的結構示例的概要圖。圖5是示出無線通信終端100的結構示例的功能框圖。盡管圖4A、圖4B和圖5所示的結構示例示出了無線通信終端100是智能電話的情況，但無線通信終端100也可以是另一種無線通信終端，諸如特色電話機(例如，折疊蜂窩電話)、便攜式游戲終端、平板電腦或筆記本IC(個人計算機)。以下，參照圖4A、圖4B和圖5描述無線通信終端100的結構和功能。
[0049]圖4A示出了無線通信終端100的殼體101的一個主面(前側)。在殼體101的前偵牝設置顯示器102、觸摸面板103、多個操作按鈕105和相機105。另一方面，圖4B示出了殼體101的另一個主面