半导体器件和电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及半导体器件以及使用该半导体器件的电子设备，诸如无线通信终端。
【背景技术】
[0002]专利文献I公开了将半导体芯片(裸片)划分为多个电路块并针对每个电路块控制电源的技术。例如，通过停止向不是正在操作的不需要的电路块提供电源来减少漏电流。因此，该技术可以降低半导体集成电路器件(例如，IC(集成电路)、LSI (大规模集成)、系统LSI和SoC(芯片上系统)器件)的功耗。
[0003]引用列表
[0004]专利文献
[0005][专利文献I]日本未审查专利申请公开第2012-4582号
【发明内容】
[0006]本申请的发明人在开发用于无线通信终端的诸如系统LSI (SoC器件)的半导体器件(半导体集成电路器件)的过程中发现了各种问题。为了解决这些问题，通过本申请的发明人得到的技术想法能够提供可适当地用于无线通信终端等的半导体集成电路器件以及使用半导体集成电路器件的无线通信终端。将根据以下实施例的描述和附图来明确这些技术想法的多个具体示例。
[0007]解决问题的方案
[0008]在一个方面中，一种半导体器件包括其中集成有温度传感器的半导体芯片。温度传感器包括被配置为能够基于半导体芯片的芯片温度间歇生成传感器信号的电路。
[0009]本发明的有利效果
[0010]根据上述方面，可以提供可适当用于无线通信终端等的半导体器件以及使用半导体器件的诸如无线通信终端的电子设备。
【附图说明】
[0011]图1是示出漏电流的晶体管的截面图。
[0012]图2是示出根据比较示例的SoC器件的功耗的曲线图。
[0013]图3是示出根据比较示例的SoC器件的功耗的曲线图。
[0014]图4A是示出根据实施例的无线通信终端的结构示例的概要图。
[0015]图4B是示出根据实施例的无线通信终端的结构示例的示图。
[0016]图5是示出根据实施例的无线通信终端的结构示例的示图。
[0017]图6是示出用于控制温度传感器或者温度传感器的部分(例如，模拟电路)的操作的使能信号的一个示例的波形图。
[0018]图7是示出根据实施例的包括在SoC器件中的温度传感器的结构示例的示图。
[0019]图8是示出根据实施例的包括在温度传感器中的比较器的结构示例的示图。
[0020]图9A是示出根据实施例的提供给包括在温度传感器中的模拟模块的使能信号的一个示例的波形图。
[0021]图9B是示出根据实施例的提供给包括在温度传感器中的模拟模块的使能信号的另一个示例的波形图。
[0022]图1OA是示出根据实施例的SoC器件的平面图的一个示例的示图。
[0023]图1OB是示出根据实施例的SoC器件的平面图的另一个示例的示图。
[0024]图11是示出根据实施例的SoC器件中的电源区域的层的示图。
[0025]图12是示出根据实施例的功能块与SoC器件中的电源区域的层之间的对应关系的示图。
[0026]图13是示出根据实施例的SoC器件的两个操作状态(具体地，待机状态和最小操作状态)下的功耗的曲线图。
[0027]图14是示出根据实施例的用于SoC器件的较低功耗的操作状态的转变的示图。
[0028]图15A是示出根据实施例的SoC器件的操作状态的转变与芯片温度之间的关系的示图。
[0029]图15B是示出根据实施例的SoC器件的操作状态的转变与芯片温度之间的关系的示图。
[0030]图16是示出根据实施例的包括在SoC器件中的温度传感器的结构示例的示图。
[0031]图17是示出根据实施例的包括在SoC器件中的温度传感器的操作模式切换过程的一个示例的流程图。
【具体实施方式】
[0032]以下将参照附图详细描述本发明的具体实施例。注意，在附图的描述中，相同的元件将通过相同的参考符合来表示，并且根据需要省略多余的描述以简化说明。
[0033]〈比较示例的描述〉
[0034]首先，以下描述根据本申请的发明人研宄的比较示例的半导体器件。随着微型制造技术的发展，在用于无线通信终端的诸如SoC器件的半导体器件中要求更大的功能性和更高的效率，因而功耗和热量生成越来越多。为了防止半导体器件的热耗散，已知温度传感器与其他功能块一起置于半导体芯片上使得通过芯片上的温度传感器测量半导体芯片的温度的结构。注意，热耗散是IC封装的内部温度由于热生成率超过热耗散率而持续增加的状态。此外，如后面所描述的，功耗的降低是需要解决的主要问题。另一方面，由于芯片上温度传感器包括诸如BGR(带隙参考)、比较器和输出缓冲器的模拟模块，所以降低操作期间的功耗存在限制。因此，考虑到当不需要测量温度时停止芯片上温度传感器的操作。
[0035]在上述背景下，根据本申请的发明人所研宄的比较示例的半导体器件包括芯片上温度传感器。根据比较示例的半导体器件向芯片上温度传感器提供电能并在整个器件的功耗较高且热耗散的可能性较高的第一操作状态(高功耗状态)下连续地测量芯片温度。注意，在本说明书中，提供有电能的芯片上温度传感器总是连续测量芯片温度的操作被称为“连续操作”。另一方面，在整个器件的功耗较低且热耗散的可能性较低的第二操作状态(低功耗状态)下，根据比较示例的半导体器件停止芯片上温度传感器的操作并停止向芯片上温度传感器的模拟量提供电能。当半导体器件处于第二操作状态时，操作中的电路(例如，电路模块、功能块、宏或IP核)的数量少于第一操作状态期间的操作中的电路的数量，因此功耗低于第一操作状态期间的功耗。
[0036]在半导体器件为用于无线通信终端的SoC器件的情况下，执行无线数据通信、视频播放等的操作状态(例如，正常操作状态、通信状态(连接状态)、视频播放状态或最大操作状态)对应于第一操作状态。例如，在第一操作状态期间，SoC器件向具有高功耗的功能块(诸如应用处理器、图像处理器和基带处理器)提供电能，并操作这些功能块。另一方面，用于无线通信终端的SoC器件的待机状态对应于第二操作状态。在待机状态下，SoC器件仅执行有限的操作，包括不连续接收以响应来自无线通信网络的寻呼。因此，待机模式的SoC器件可停止向应用处理器(或其部分)和图像处理器提供电能或者减小它们的电源电压，同时操作基带处理器(或其部分)来检测寻呼。
[0037]<基于热分析模拟的考虑>
[0038]然而，本申请的发明人基于热分析仿真进行了详细的研宄，并发现存在即使在低功耗状态(诸如待机状态)也会在半导体器件中发生热耗散的可能性。这主要由漏电流的增加引起。参照图1描述漏电流。图1是MOSFET的截面图。随着MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的阈值电压的降低，当MOSFET截止时，亚阈值漏电流在漏极93和源极92之间的流动。亚阈值漏电流具有较大的温度依赖性，因此亚阈值漏电流随着MOSFET的结温度(沟道温度)的增加而增加。此外，随着栅极绝缘膜94由于MOSFET的微型制造而变薄，栅极漏电流(栅极隧道电流)GIDL(栅极诱发的漏极泄漏)增加。栅极漏电流在栅极91和硅衬底90之间(或者在栅极91和源极92之间或者栅极91与漏极93之间)流动，这是因为电子通过隧道效应而穿过栅极绝缘膜。由于栅极91和漏极92之间的电场引起隧道效应，所以GIDL流过漏极93和衬底90。
[0039]图2是示出通过对SoC器件的热仿真分析获得的用于无线通信终端的特定SoC器件的最大操作状态下的功耗与结温度(沟道温度)Tj之间的关系的示图。图2中的实线LI表示SoC器件的总功耗。SoC器件的总功耗包括SoC器件操作期间流过的电流所引起的功耗(操作电流分量)和漏电流所引起的功耗(漏电流分量)。图2中的交替长短虚线L2表示操作电流分量，以及虚线L3表示漏电流分量。从图2可以理解，当结温度变得较高时，漏电流分量(L3)超过操作电流分量(L2)。
[0040]图3示出了 SoC器件的最大操作状态下的功耗(图3中的L4)(这与图2相同)以及SoC器件的待机状态下的功耗(图3中的L5)。此外，图3中的两直虚线L6和L7分别表示当室温Ta为30°C和90°C时的最大允许功率Pd。通过以下等式(I)来限定最大允许功率Pd:
[0041]Pd = (Tj-Ta)/Θ ja (I)
[0042]其中，Tj是结温度，Ta是室温，以及Θ ja是结温度(Tj)与室温(Ta)之间的热阻[°C /W]。
[0043]SoC器件可在表示SoC器件的功耗的曲线(L4或L5)与表示最大允许功率Pd的直线(L6或L7)之间没有交叉的环境下进入热耗散。换句话说，图3中的SoC器件可在室温Ta达到大约90°C时(即使处于待机状态)进入热耗散。
[0044]从上面的描述可以明显看出，根据比较示例的半导体器件(其中，芯片上温度传感器在第一操作状态(例如，正常操作状态、通信状态(连接状态)、视频播放状态或最大操作状态)期间连续操作，以及芯片上温度传感器在第二操作状态(例如，低功耗状态或待机状态)期间停止操作)具有其在第二操作状态期间会经历热耗散的问题。解决该问题的一种方法是使芯片上温度传感器在第二操作状态期间连续操作，就如第一操作状态期间一样。然而，该方法不能在第二操作状态期间实现功耗的降低。
[0045]考虑到上述问题，本申请的发明人对半导体器件(例如SoC器件)的结构和操作进行了研宄，在芯片上温度传感器测量其中的温度的同时，可以在第二操作状态期间抑制功耗的增加。发明人将注意力集中于第二操作状态期间的芯片温度增加速度(增加率)低于第一操作状态器件的芯片温度增加速度的事实，这是因为第二操作期间整个器件的功耗和热生成低于第一操作状态期间整个器件的功耗和热生成。在根据本申请的发明人获得的技术想法的一个实施例中，半导体器件具有芯片上温度传感器间歇测量芯片温度的结构。下文描述该实施例。
[0046]第一实施例
[0047]<无线通信终端(电子设备)的概述>
[0048]根据该实施例的无线通信终端100包括半导体器件(例如，诸如SoC器件的半导体集成电路)20以及连接至SoC器件20的外围IC (例如，电能管理IC和RF (射频)-1C)和外围设备(例如，显示器、相机和输入设备)。图4A和图4B是示出无线通信终端100的结构示例的概要图。图5是示出无线通信终端100的结构示例的功能框图。尽管图4A、图4B和图5所示的结构示例示出了无线通信终端100是智能电话的情况，但无线通信终端100也可以是另一种无线通信终端，诸如特色电话机(例如，折叠蜂窝电话)、便携式游戏终端、平板电脑或笔记本IC(个人计算机)。以下，参照图4A、图4B和图5描述无线通信终端100的结构和功能。
[0049]图4A示出了无线通信终端100的壳体101的一个主面(前侧)。在壳体101的前侦牝设置显示器102、触摸面板103、多个操作按钮105和相机105。另一方面，图4B示出了壳体101的另一个主面