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      具有測(cè)試結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體器件測(cè)試方法

      文檔序號(hào):5831090閱讀:145來源:國知局
      專利名稱:具有測(cè)試結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體器件測(cè)試方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種包括測(cè)試結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件,所述測(cè)試結(jié)構(gòu)用于 對(duì)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行檢測(cè),測(cè)試結(jié)構(gòu)包括第一供電軌、第 二供電軌、以及耦合在第一供電軌與第二供電軌之間的環(huán)形振蕩器, 環(huán)形振蕩器具有用于提供測(cè)試結(jié)果信號(hào)的輸出。
      本發(fā)明還涉及一種對(duì)測(cè)試這種半導(dǎo)體器件的方法。
      背景技術(shù)
      諸如集成電路(ic)之類的半導(dǎo)體器件的特征尺寸小型化
      (miniaturization)使得容易對(duì)該器件上諸如晶體管之類的大量元件進(jìn) 行集成。然而,例如,這帶來的代價(jià)是器件對(duì)(制造)過程變化的敏 感性提高,這可以導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的故障。即使在制造之后器件沒有 故障,然而在前述變化接近制造時(shí)容許的閾值的情況下,器件的老化 仍然能夠引起這樣的故障。由于在未來半導(dǎo)體技術(shù)中特征尺寸的進(jìn)一 步減小,使得這將越來越成為問題。
      這些問題之一是各個(gè)晶體管之間閾值電壓(Vth)的變化。這樣的 變化可以具有各種原因,如摻雜水平的變化、不良退火、對(duì)晶片的過 度再加工、封裝引起的損傷等等。例如,閾值電平的變化能夠使得無 法將正確的二進(jìn)制值分配給從晶體管提取的信號(hào),這是由于Vth失配導(dǎo) 致的晶體管輸出電壓與預(yù)期值的過度偏差引起的。
      在美國專利6,272,666中公開了一種對(duì)該問題的解決方案,其中將 集成電路描述為具有多個(gè)域的晶體管組。根據(jù)具有奇數(shù)個(gè)反相器級(jí)的 環(huán)形振蕩器為每個(gè)域(即,每個(gè)晶體管組)提供性能檢測(cè)電路,以確 定域中晶體管的平均速度。針對(duì)每個(gè)域從確定的平均速度得到偏置電 壓,以補(bǔ)償域之間平均速度的變化。
      然而,該解決方案僅對(duì)不同晶體管組之間的失配進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)
      4償,不能檢測(cè)相同域中晶體管(例如,相鄰的晶體管)之間的局部Vth 失配。這是一個(gè)缺點(diǎn),因?yàn)檫@樣的失配能夠是嚴(yán)重的,例如,在現(xiàn)有
      CMOS技術(shù)中檢測(cè)到了高達(dá)80mV的Vth失配。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明旨在提供一種半導(dǎo)體器件,所述半導(dǎo)體器件具有能夠檢測(cè) 這種局部失配的測(cè)試結(jié)構(gòu)。
      本發(fā)明還旨在提供一種對(duì)這種半導(dǎo)體器件進(jìn)行測(cè)試的方法。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面,提供了一種半導(dǎo)體器件,包括用于對(duì)半
      導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)試結(jié)構(gòu),測(cè)試結(jié)構(gòu)包括第一供 電軌;第二供電軌;環(huán)形振蕩器,耦合在第一供電軌與第二供電軌(120)
      之間,環(huán)形振蕩器具有用于提供測(cè)試結(jié)果信號(hào)的輸出;以及單獨(dú)可控 制的晶體管的陣列,其中單獨(dú)可控制的晶體管并行耦合在第一供電軌 與環(huán)形振蕩器之間。
      通過將單獨(dú)可控制的晶體管耦合在環(huán)形振蕩器與電源軌之間,測(cè) 試結(jié)構(gòu)使得容易確定結(jié)構(gòu)變化,該測(cè)試結(jié)構(gòu)可以集成在IC中或放置在 載有多個(gè)IC的晶片上。通過在預(yù)定的偏置條件下選擇性地激活晶體管, 能夠確定每個(gè)晶體管的特性并且將與其相鄰的晶體管相比較。這給出 了陣列中Vth失配的大小(即,Vth變化)的指示。因?yàn)榈湫偷卦撌涫?由整個(gè)半導(dǎo)體器件受到的影響引起的,所以該失配表示半導(dǎo)體器件的 局部變化(例如,相鄰晶體管之間的變化)。包含本發(fā)明測(cè)試結(jié)構(gòu)的其 它優(yōu)點(diǎn)是,能夠確定制造后引起的失配(如對(duì)半導(dǎo)體器件的封裝引起 的失配),而不需要將器件從它的封裝上去除。
      測(cè)試結(jié)構(gòu)可以包括單獨(dú)可控制的晶體管的另外的陣列,其中單獨(dú) 可控制的晶體管并行耦合在第二供電軌與環(huán)形振蕩器之間,可以按照 與第一晶體管陣列不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)另外的陣列(例如,nMOS陣列和
      pMOS陣列)。這具有的優(yōu)點(diǎn)是,能夠利用單個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)來估計(jì)半導(dǎo)體 器件上使用的、多于一種器件類型的變化。
      優(yōu)選地,該實(shí)施例還包括第一開關(guān),耦合在環(huán)形振蕩器與第一 供電軌之間,用于將單獨(dú)可控制的晶體管的陣列旁路;以及第二開關(guān),耦合在環(huán)形振蕩器與第二供電軌之間,用于將單獨(dú)可控制的晶體管的 另外的陣列旁路,以使得容易隔離地測(cè)試每個(gè)陣列。
      可以經(jīng)由半導(dǎo)體器件的輸出使得環(huán)形振蕩器的輸出可用于外界, 使得容易外部取回測(cè)試結(jié)果。替代地,可以利用通過內(nèi)部測(cè)量系統(tǒng)(如
      在WO 2006/056951-Al中公開的、轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的申請(qǐng)人的系統(tǒng))來 取回環(huán)形振蕩器輸出。
      根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供了一種對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件進(jìn)行
      測(cè)試的方法,該方法包括
      (a) 在預(yù)定的偏置條件下使能陣列中晶體管的子集;
      (b) 確定環(huán)形振蕩器的第一頻率;
      (c) 在預(yù)定的偏置條件下使能陣列中晶體管的另外的子集;
      (d) 確定環(huán)形振蕩器的第二頻率;以及
      (e) 將第一頻率與第二頻率相比較。 該方法提供了對(duì)這種半導(dǎo)體器件中局部失配的估計(jì)。
      優(yōu)選地,方法還包括修改預(yù)定的偏置條件;以及重復(fù)步驟(a) -(e)。這樣,能夠確定陣列中晶體管的整個(gè)工作范圍。此外,使用不 同的偏置條件使得能夠區(qū)分閾值與電流因子貢獻(xiàn)。


      參照附圖,以非限制性示例的方式詳細(xì)描述了本發(fā)明,其中
      圖l示出了本發(fā)明半導(dǎo)體器件的一方面; 圖2示出了本發(fā)明另外的半導(dǎo)體器件的一方面;以及 圖3示出了本發(fā)明方法實(shí)施例的流程圖。
      具體實(shí)施例方式
      應(yīng)該理解,附圖僅僅是示意性的并且不按比例繪制。還應(yīng)該理解, 相同的參考數(shù)字在圖中始終用于指示相同或相似的部分。
      在圖1中,半導(dǎo)體器件(可以是IC或載有多個(gè)IC的晶片)具有測(cè) 試結(jié)構(gòu)100,所述測(cè)試結(jié)構(gòu)100包括耦合在第一供電軌110與第二供電軌 120之間的環(huán)形振蕩器130。環(huán)形振蕩器130具有輸出132,在輸出132處提供環(huán)形振蕩器130的輸出頻率。輸出130可以與半導(dǎo)體器件的輸出 管腳(未示出)相耦合。第一電源軌110與環(huán)形振蕩器130之間的導(dǎo)電 耦合包括晶體管142的陣列140??梢葬娪萌魏魏线m的技術(shù)(例如而不 限于CMOS技術(shù))來實(shí)現(xiàn)晶體管142。此外,晶體管142不一定要具有 相同的尺寸。這將取決于測(cè)試結(jié)構(gòu)打算測(cè)量的具體效果??梢詥为?dú)地 控制晶體管142,并將其布置成使得能夠?qū)⑵秒妷菏┘拥竭@些晶體管 142。在圖1中,這是通過以下方式來實(shí)現(xiàn)的經(jīng)由控制線146將偏置電 壓提供給晶體管142的控制端子,以及包括單獨(dú)可控制的開關(guān)144以選 擇單獨(dú)的晶體管142,然而將理解,這僅僅是以示例的方式。其它實(shí)現(xiàn) (如,將偏置提供給例如晶體管142的襯底,以及經(jīng)由晶體管142的控 制端子選擇單獨(dú)的晶體管142,因而不需要分立的開關(guān)144)是同樣可 行的,對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言各種替代方案將是顯而易見的。
      這樣,強(qiáng)調(diào)的是,陣列的晶體管142可以是更大半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一 部分。例如,因?yàn)樾〉木w管組可以出現(xiàn)在半導(dǎo)體器件的主要功能中, 所以能夠使用這些小的晶體管組。這種結(jié)構(gòu)的示例是具有共射共基 (cascode)器件(未示出)、短路的反相器(未示出)、以及存儲(chǔ)單元 (未示出)的晶體管142。其它示例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而 易見的。此外,應(yīng)該理解,陣列140中將包含至少2個(gè)(然而更有可能 是10-30個(gè))晶體管142,使得能夠獲得具有充分可信度的統(tǒng)計(jì)評(píng)估。
      可以利用測(cè)試使能信號(hào)來使能測(cè)試結(jié)構(gòu)IOO,所述測(cè)試使能信號(hào) 對(duì)第一供電軌110中的開關(guān)112加以控制??梢越?jīng)由專用選擇線(未示 出)來選擇晶體管142,其中所述專用選擇線是可以經(jīng)由響應(yīng)于測(cè)試使 能信號(hào)的內(nèi)狀態(tài)機(jī)器或經(jīng)由外部提供的配置數(shù)據(jù)來配置的,其中所述 配置數(shù)據(jù)是可以經(jīng)由(邊界掃描適應(yīng)的)移位寄存器來提供的。可選 地,測(cè)試結(jié)構(gòu)100還可以包括校準(zhǔn)電流源160,可以經(jīng)由開關(guān)162來選擇 所述校準(zhǔn)電流源160以校準(zhǔn)環(huán)形振蕩器130,使得容易對(duì)各個(gè)晶體管142
      的特性的變化進(jìn)行更定量的分析。
      圖2示出了測(cè)試結(jié)構(gòu)200,與測(cè)試結(jié)構(gòu)100相比,所述測(cè)試結(jié)構(gòu)200 具有更多的附加特征。具體地,測(cè)試結(jié)構(gòu)200包括例如經(jīng)由開關(guān)244單 獨(dú)可控制的晶體管242的另外的陣列240,晶體管242可以例如經(jīng)由控制線246提供有另外的偏置電壓。前述用于選擇和偏置晶體管142的替代 布置同樣可用于晶體管242。另外的陣列240導(dǎo)電地耦合在環(huán)形振蕩器 130與另外的供電軌120之間。測(cè)試結(jié)構(gòu)200還包括旁路開關(guān)252和254, 所述旁路開關(guān)252和254分別用于將陣列140以及另外的陣列240旁路或 短路,使得容易隔離地從單個(gè)陣列選擇晶體管。陣列140和另外的陣列 240可以包括不同的晶體管142和242;例如,可以采用與晶體管242相 比不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)晶體管142。例如,晶體管142可以是nMOS晶體 管,晶體管242可以是pMOS晶體管。其它示例也是可行的。
      將借助圖3更詳細(xì)地說明測(cè)試結(jié)構(gòu)100和測(cè)試結(jié)構(gòu)200的操作和目 的,所述圖3示出了本發(fā)明方法實(shí)施例的流程圖。測(cè)試結(jié)構(gòu)100和測(cè)試 結(jié)構(gòu)200的目標(biāo)是對(duì)于由制造或處理引起的變化進(jìn)行檢測(cè),所述變化能 夠引起在彼此位置非常接近的晶體管之間特性的不同。典型地,如果 出現(xiàn)這樣的變化,則由此可以影響半導(dǎo)體器件的大量區(qū)域。半導(dǎo)體器 件上測(cè)試結(jié)構(gòu)100或200的放置用作對(duì)這種變化的出現(xiàn)的指示,這能夠 幫助識(shí)別不可靠的甚至故障的半導(dǎo)體器件。
      能夠引起這種變化的事件的示例包括而不限于以下基本機(jī)制,諸 如半導(dǎo)體器件上摻雜濃度的起伏,這將引起變化的導(dǎo)電率,不良退火, 技術(shù)的偏差(slipaway),離子注入步驟引入的界面態(tài)、導(dǎo)致?lián)p傷的晶 片過度再加工,等等。此外,在對(duì)由摻雜濃度起伏以及應(yīng)力相關(guān)的遷 移率退化引起的變化進(jìn)行監(jiān)控時(shí),可以利用典型用于產(chǎn)生特定條件的 結(jié)構(gòu)(如,金屬配線,或所謂的淺溝槽)來包圍晶體管142。
      如果僅半導(dǎo)體器件的一部分受到這樣的變化,則可以在半導(dǎo)體器
      件的不同部分上放置多于一個(gè)的測(cè)試結(jié)構(gòu),以增大檢測(cè)到這種變化的 機(jī)會(huì)。
      可以按照以下所述來檢測(cè)變化。在第一步驟320中,將偏置電壓 施加到選擇的晶體管陣列,例如晶體管142的陣列140,在第一步驟320 之后,在步驟330中激活晶體管的子集(例如,單個(gè)晶體管)以將子集 導(dǎo)電耦合至環(huán)形振蕩器130的子集。這將使得環(huán)形振蕩器130生成頻率, 所述頻率取決于通過所選擇的晶體管142流動(dòng)的有效電流。有效電流取 決于晶體管的閾值電壓(Vth),其中Vth對(duì)于前述變化中的至少一些敏
      8感。在步驟340中測(cè)量環(huán)形振蕩器頻率。
      重復(fù)步驟330和340,直到為陣列的所有晶體管執(zhí)行了頻率測(cè)量為 止,如步驟350中檢査的那樣。在步驟370中將頻率相互比較。因?yàn)榄h(huán) 形振蕩器130的輸出頻率與所選擇的晶體管的Vth相關(guān),所以在相應(yīng)步 驟340中得到的頻率的分散允許確定對(duì)如由前述變化引起的晶體管之 間Vth失配的大小的定性指示。
      對(duì)于更精確的測(cè)試結(jié)果,可以在對(duì)單獨(dú)陣列晶體管進(jìn)行頻率確定 之前,在可選步驟310中將環(huán)形振蕩器130校準(zhǔn)。為此,通過激活開關(guān) 162,將配置為(選擇性地)生成一個(gè)(或更多個(gè))基準(zhǔn)電流(Iref) 的電流源160與環(huán)形振蕩器導(dǎo)電耦合。在對(duì)從陣列晶體管得到的頻率的 評(píng)估中,將響應(yīng)于Lf的環(huán)形振蕩器的頻率輸出用作基準(zhǔn)頻率。
      這樣,強(qiáng)調(diào)的是,電流因子貢獻(xiàn)也可以引起通過陣列晶體管的電 流的變化。如在步驟360中設(shè)定的那樣,為了區(qū)別Vth失配與電流因子 貢獻(xiàn),可以在不同的預(yù)定偏置電壓條件下多次測(cè)量單獨(dú)晶體管的電流 輸出。
      將顯然的是,在測(cè)試結(jié)構(gòu)200的情況下,可以分開測(cè)試陣列140和 240。這樣,如果對(duì)陣列140的晶體管142的電流輸出進(jìn)行測(cè)量,則激活 旁路開關(guān)254以將陣列240旁路,如果對(duì)陣列240的晶體管242的電流輸 出進(jìn)行測(cè)量,則激活旁路開關(guān)252以將陣列140旁路。這樣,能夠確定 前述變化對(duì)不同技術(shù)(例如pMOS和nMOS技術(shù))的影響。
      應(yīng)該注意,以上實(shí)施例示出而不是限制本發(fā)明,本領(lǐng)域技術(shù)人員 將能夠在不背離所附權(quán)利要求的范圍的前提下設(shè)計(jì)出許多替代實(shí)施 例。在權(quán)利要求中,圓括號(hào)之間的任何參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制權(quán) 利要求。詞語"包括"不排除存在權(quán)利要求所列元件或步驟之外的其它 元件或步驟。元件前面的詞語"一"或"一個(gè)"不排除存在多個(gè)這樣的元 件。本發(fā)明可以用包括若干分立元件在內(nèi)的硬件來予以實(shí)現(xiàn)。在列舉 了若干器件的設(shè)備權(quán)利要求中,這些器件中的若干器件可以用同一硬 件予以實(shí)現(xiàn)。重要的事實(shí)是,在互不相同的從屬權(quán)利要求中描述的特 定措施并不表示不能有利地將這些措施結(jié)合使用。
      9
      權(quán)利要求
      1、一種半導(dǎo)體器件,包括用于對(duì)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)試結(jié)構(gòu)(100,200),測(cè)試結(jié)構(gòu)(100,200)包括第一供電軌(110);第二供電軌(120);環(huán)形振蕩器(130),耦合在第一供電軌(110)與第二供電軌(120)之間,環(huán)形振蕩器(130)具有用于提供測(cè)試結(jié)果信號(hào)的輸出(130);以及單獨(dú)可控制的晶體管(142)的陣列(140),其中單獨(dú)可控制的晶體管(142)并行耦合在第一供電軌(110)與環(huán)形振蕩器(130)之間。
      2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體器件,還包括單獨(dú)可控制的晶體 管(242)的另外的陣列(240),其中單獨(dú)可控制的晶體管(242)并 行耦合在第二供電軌(120)與環(huán)形振蕩器(130)之間。
      3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件,其中,分別以不同的技術(shù) 實(shí)現(xiàn)陣列(140)和另外的陣列(240)的晶體管(142; 242)。
      4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的半導(dǎo)體器件,還包括第一開關(guān)(252),耦合在環(huán)形振蕩器(130)與第一供電軌(110) 之間,用于將單獨(dú)可控制的晶體管(142)的陣列(140)旁路;以及第二開關(guān)(254),耦合在環(huán)形振蕩器(130)與第二供電軌(120) 之間,用于將單獨(dú)可控制的晶體管(242)的另外的陣列(240)旁路。
      5、 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任一所述的半導(dǎo)體器件,還包括測(cè)試輸出, 所述測(cè)試輸出與環(huán)形振蕩器(130)的輸出(132)耦合。
      6、 根據(jù)權(quán)利要求l-5中任一所述的半導(dǎo)體器件,其中,半導(dǎo)體器 件包括集成電路,所述集成電路包括測(cè)試結(jié)構(gòu)(100, 200)。
      7、 根據(jù)權(quán)利要求l-5中任一所述的半導(dǎo)體器件,其中,半導(dǎo)體器 件包括載有多個(gè)集成電路的晶片。
      8、 一種對(duì)根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件進(jìn)行測(cè)試的方法,包括 (a)在預(yù)定的偏置條件下使能陣列(140, 240)中晶體管(142,242)的子集;(b) 確定環(huán)形振蕩器(130)的第一頻率;(c) 在預(yù)定的偏置條件下使能陣列(140, 240)中晶體管(142, 242)的另外的子集;(d) 確定環(huán)形振蕩器(130)的第二頻率;以及(e) 將第一頻率與第二頻率相比較。
      9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法,還包括 修改預(yù)定的偏置條件;以及 重復(fù)步驟(a) - (e)。
      10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法,還包括在第一次執(zhí)行步驟 (a)之前校準(zhǔn)環(huán)形振蕩器(130)。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件,包括用于對(duì)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)試結(jié)構(gòu)(100),測(cè)試結(jié)構(gòu)(100)包括第一供電軌(110);第二供電軌(120);環(huán)形振蕩器(130),耦合在第一供電軌(110)與第二供電軌(120)之間,環(huán)形振蕩器(130)具有用于提供測(cè)試結(jié)果信號(hào)的輸出(130);以及單獨(dú)可控制的晶體管(142)的陣列(140),單獨(dú)可控制的晶體管并行耦合在第一供電軌(110)與環(huán)形振蕩器(130)之間。陣列(140)中各個(gè)晶體管(142)的輸出電流的變化引起環(huán)形振蕩器(130)中相應(yīng)輸出頻率的變化。這給出了對(duì)前述結(jié)構(gòu)變化的定性指示。通過包含基準(zhǔn)電流源(160)能夠得到更精確的結(jié)果,基準(zhǔn)電流源(160)用于在對(duì)單獨(dú)晶體管(142)的電流輸出進(jìn)行測(cè)量之前校準(zhǔn)環(huán)形振蕩器(130)。
      文檔編號(hào)G01R31/28GK101473237SQ200780022780
      公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月20日
      發(fā)明者普魯維·斯恩達(dá)克拉, 比奧萊塔·彼得雷斯庫, 馬塞爾·佩爾戈姆 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司
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