JP3679992B2 - Semiconductor integrated circuit and test method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数のNチャネル型MOSFETと複数のPチャネル型MOSFETとを集積して構成される半導体集積回路に関し、特に、複数の各チャネル型MOSFETそれぞれにおいて、少なくともしきい値電圧が異なるMOSFETが含まれる半導体集積回路及びその試験方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、PHS(パーソナル・ハンディホン・システム)やPDA(携帯情報端末)等に代表される携帯情報機器が普及している。この携帯情報機器の構成部品の1つとして半導体集積回路(以下、ICと称する)がある。このようなICにおいては、処理速度性能を低下することなく、消費電力を低減することが強く要求されている。
【0003】
CMOS技術を使用したICは、バイポーラ技術やEDMOS技術を使用したICに比べて、低消費電力であることが知られている。しかしながら、近年においては、ICにおける動作周波数の高周波数化に伴って、CMOS技術を使用したICにおいてもその消費電力の大きさが問題となってきている。
【0004】
CMOS技術を用いたICにおけるCMOS論理ゲート回路の消費電力は、一般に次式で近似されている。
P∝K・C・Vdd2・f+Ileak・Vdd ・・・・(1)ここで、(1)式において、Kはスイッチング確率、CはCMOS論理ゲート回路の出力負荷容量、Vddは電源電圧、fは動作周波数、Ileakはサブスレッショルドリーク電流である。サブスレッショルドリーク電流については後述する。なお、(1)式中の”・”は乗算子であり、後述の式においても同様である。
【0005】
ICが動作モード時(例えば、所定の周波数のクロック信号がCMOS論理ゲート回路に供給されて、CMOS論理ゲート回路が動作状態の時)は、(1)式の第1項が支配的となり、消費電力は電源電圧Vddの2乗に比例する。また、ICが待機モード時(クロック信号のCMOS論理ゲート回路への供給が禁止されて、CMOS論理ゲート回路の動作が停止した状態の時)は、動作周波数fがゼロとなるため、(1)式の第2項が支配的となる。(1)式から分かるように、電源電圧Vddを低下することにより、特に、動作モード時の消費電力を大幅に低減できる。このため、携帯情報機器に使用されるICに対しては、低電源電圧にて動作することの要求が高まっている。
【0006】
上述のように、電源電圧Vddを低下させることで、ICにおける消費電力が低減できる。しかしながら、電源電圧Vddを低下させると、ICを構成するCMOS論理ゲート回路のゲート遅延時間tpdは増大することとなる。CMOS論理ゲート回路のゲート遅延時間tpdは、一般に次式で近似される。
tpd=C・Vdd/(VddーVt)α ・・・・(2)ここで、(2)式において、CはCMOS論理ゲート回路の出力負荷容量、Vddは電源電圧、VtはスイッチングするMOSFETのしきい値電圧、αはデバイス世代に応じて決まる係数で1≦α≦2である。
【0007】
(2)式から明らかなように、電源電圧Vddを低下すると、ゲート遅延時間tpdが徐々に増加することが分かる。特に、電源電圧VddがMOSFETのしきい値電圧Vt近くまで低下したとすると、(2)式の右辺の分母が小さい数値となるため、ゲート遅延時間tpdが著しく増加することが分かる。このことから、ゲート遅延時間tpdを増加することなく電源電圧をVddを低くするためには、電源電圧Vddの低下に合わせてMOSFETのしきい値電圧Vtを低下する必要がある。
【0008】
一方、CMOS論理ゲート回路の待機モード時の消費電力(以下、スタンバイ消費電力と称する)は、(1)式の第2項に示されるように、MOSFETのゲートーソース間電圧が0Vの状態でのリーク電流(一般に、サブスレッショルドリーク電流と称される)Ileakによってほぼ決定される。サブスレッショルドリーク電流Ileakは一般に次式で近似される。
Ileak∝exp(ーVt(S/In10)) ・・・・(3)
ここで、(3)式において、VtはMOSFETのしきい値電圧、Sはサブスレッショルド係数と呼ばれるMOSFETの特性を示す数値の一つであり、具体的には、MOSFETのゲートーソース間電圧がしきい値電圧Vt以下の領域での電流ー電圧特性を表す値である。一般に、サブミクロンオーダーのMOSFETにおいては、80〜90mV/decade程度の数値となる。
【0009】
(3)式から明らかなように、しきい値電圧Vtを低く設定すると、サブスレッショルドリーク電流Ileakが指数的に増加することを示している。例えば、CMOS論理ゲート回路を有するICを構成するMOSFETのしきい値電圧を0.3V下げた場合、そのICの待機モード時のサブスレッショルドリーク電流Ileakは3桁から4桁も増加してしまうこととなる。
【0010】
以上のように、しきい値電圧Vtを変化させた場合のサブスレッショルドリーク電流Ileakとゲート遅延時間tpdとはトレードオフの関係にある。一般的には、CMOS論理ゲート回路を有するICにおいては、製品仕様などで許容されるスタンバイ消費電力を満足しつつ、必要なゲート遅延時間tpdが得られるように、しきい値Vtが設定されている。しかしながら、近年の電源電圧Vddの低電圧化要求に対しては、満足できるサブスレッショルドリーク電流Ileakとゲート遅延時間tpdとを両立させることが極めて困難になってきている。
【0011】
CMOS技術において、動作速度特性(例えば、ゲート遅延時間tpd)を低下させることなくスタンバイ消費電力を低減できる技術として、次の文献に開示されるものがある。
文献名:”1-V Power Supply High-Speed Digital Circuit Technology with Multithreshold-Voltage CMOS.”IEEE Journal of Solid-State Circuits 30[8], pp。847-854, 1995
【0012】
上記文献に開示の技術はMulti-Threshold Voltage CMOS(以下、MTCMOSと称する)技術と呼ばれている。上記文献に開示のMTCMOS技術について、以下に簡単に説明する。
【0013】
MTCMOS技術を使用したICにおいては、論理ゲート回路には高電位側疑似電源電圧線と低電位側疑似電源電圧線とから電源電圧が供給されるものである。論理ゲート回路は、低いしきい値電圧を有するPチャネル型MOSFET及びNチャネル型MOSFETにて構成されている。高電位側疑似電源電圧線は、論理ゲート回路を構成するPチャネル型MOSFETのしきい値電圧より高いしきい値電圧を有するPチャネル型MOSFETからなるスイッチを介して高電位側電源電圧が供給される。低電位側疑似電源電圧線は、論理ゲート回路を構成するNチャネル型MOSFETのしきい値電圧より高いしきい値電圧を有するNチャネル型MOSFETからなるスイッチを介して低電位側電源電圧が供給される。
【0014】
このICを構成するNチャネル型MOSFET及びNチャネル型MOSFETからなるスイッチを、ドレイン、ソース、ゲート、サブストレートの端子を有する4端子素子として見た時、これらNチャネル型MOSFETのサブストレート端子はPウェル層、もしくはP型半導体基板(P型半導体基板を使用した場合)を介して低電位側電源電圧が供給される。また、このICを構成するPチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETからなるスイッチを、ドレイン、ソース、ゲート、サブストレートの端子を有する4端子素子として見た時、これらPチャネル型MOSFETのサブストレート端子はNウェル層、もしくはN型半導体基板(N型半導体基板を使用した場合)を介して高電位側電源電圧が供給される。
【0015】
このように構成されたMTCMOS技術を使用したICは、動作モード時には、上述したスイッチとしてのNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETとを導通状態とする。このため、高電位側疑似電源電圧線は、スイッチとしてのPチャネル型MOSFETを介して供給される高電位側電源電圧により、高電位側電源電圧とほぼ同等の電位となる。同様に、低電位側疑似電源電圧線は、スイッチとしてのNチャネル型MOSFETを介して供給される低電位側電源電圧により、低電位側電源電圧とほぼ同等の電位となる。このため、論理ゲート回路にはそれぞれ高電位側電源電圧及び低電位側電源電圧が供給されるため、論理ゲート回路は所望の論理動作が可能となる。
【0016】
ここで、論理ゲート回路を構成するNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETのしきい値電圧は低くしているため、高いしきい値電圧のNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETを使用した場合に比べて、ゲート遅延時間tpdを増加することなく、電源電圧Vddを低くして動作することが可能となる。すなわち、論理ゲート回路に高いしきい値電圧のNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETを使用した場合と同等の速度性能を維持したまま、動作モード時の消費電力の低減が可能となる。
【0017】
また、待機モード時には、上述したスイッチとしてのNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETとを非導通状態とする。このため、高電位側疑似電源電圧から低電位側電源電圧に流れるサブスレッショルドリーク電流Ileakは、上述したスイッチを構成するNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETの非導通状態でのサブスレッショルド電流特性で決まることとなる。上述したように、スイッチを構成するNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETはしきい値電圧を高くしているので、サブスレッショルドリーク電流Ileakを小さい値とすることができる。つまり、論理ゲート回路を低いしきい値電圧のMOSFETで構成しているにも係らず、サブスレッショルドリーク電流Ileakは論理ゲート回路を高いしきい値電圧のMOSFETで構成した場合と同等にすることができる。
【0018】
以上のように、MTCMOS技術を使用したICにおいては、電源電圧Vddを低下させて動作モード時の消費電力を低減し、論理ゲート回路のゲート遅延時間tpdを増加することなく遅延性能を保つこと、及び待機モード時のサブスレッショルドリーク電流によるスタンバイ消費電力を低減することが可能となる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、MTCMOS技術を使用したICは、優れた特性が得られるものの、そのテスト時においては懸念される問題がある。これは、特に、大規模論理ICの不良検出率を向上するために、近年における製品の量産出荷テスト時に導入されているIDDQテストが適用できないことである。
【0020】
IDDQテストとは、高いしきい値電圧のMOSFETを使用して構成された論理ゲート回路において、良品においては、論理ゲート回路を構成するMOSFETがスイッチング動作をしていない状態では、電源電流(高電位側電源電圧から低電位側電源電圧へ流れる電流)IDDは、各MOSFETのサブスレッショルドリーク電流で決まる非常に小さいリーク電流(例えば、IC全体で数nA〜数十μA)しか流れない、という特徴を利用したものである。
【0021】
すなわち、IC内部の各論理ゲート回路の出力電圧を高電圧レベルあるいは低電圧レベルに設定した何パターンかでの安定状態で電源電流IDDの電流値を測定する。測定した電源電流IDDの電流値が、予め予測されるリーク電流の電流値よりも十分に大きな値であった場合は、そのIC内部で何らかの異常(配線間のショートや配線の断線等)が発生していると判断できる。つまり、待機モード時の電源電流IDDを測定することで、そのIC内部の物理的な不良を検出できるものである。
【0022】
一般的な0.25μmクラスで10万ゲートを集積したCMOS技術によるICにおいてNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETのしきい値をそれぞれ0.5V及びー0.5Vに設定した場合のサブスレッショルド電流による電源電流IDDは100nA〜10μA程度である。一方、IC内部に異常、例えば、配線間のショートがあった場合に流れるショート電流は100μA〜10mA程度と桁違いに大きくなる。このショート電流は電源電流IDDに重畳されるため、電源電流IDDの電流値を測定することにより、IC内部で異常が発生しているか否かを容易に検出できる。
【0023】
IC内部の不良検出において、従来のような論理テストパターン列の入力に対するICの論理出力値を論理期待値と照合する論理機能試験やファンクション試験に比べて、IDDQ試験は不良検出率が高く、テスト時間の短縮やテストコストの低減が可能である。特に、IC製造プロセスの微細化に伴うICにおける論理ゲート回路の集積規模の著しい増大を考慮すると、IDDQ試験を用いる効果は絶大である。
【0024】
ここで、上述したIDDQ試験をMTCMOS技術を使用したICに適用することができない理由を説明する。
【0025】
動作モード時には、スイッチとしてのPチャネル型MOSFET及びNチャネル型MOSFETとを導通状態として、高電位側疑似電源電圧線及び低電位側疑似電源電圧線にそれぞれ高電位側電源電圧及び低電位側電源電圧を供給する。このため、IC内部の論理ゲート回路は論理動作可能な状態となるので、各論理ゲート回路の出力電圧を高電圧レベルあるいは低電圧レベルに設定することは可能となる。しかしながら、MTCMOS技術を使用したICの論理ゲート回路は、低いしきい値電圧を有するMOSFETを用いて構成しているため、各MOSFETにおけるサブスレッショルドリーク電流が大きくなってしまう。このため、論理動作をしていない状態においても、IC全体での電源電流IDDはかなり大きくなってしまうこととなる。
【0026】
例えば、一般的な0.25μmクラスで10万ゲートを集積したCMOS技術によるICにおいてNチャネル型MOSFET及びPチャネル型MOSFETのしきい値をそれぞれ0.2V及びー0.2Vに設定した場合のサブスレッショルド電流による電源電流IDDは100μA〜10mA程度となる。このため、仮に一部の論理ゲート回路に配線間のショート等の不良があり、これによるショートリーク電流が100μA〜10mA程度であって、このショート電流が電源電流IDDに重畳されていたとしても、サブスレッショルドリーク電流による電源電流にショート電流が隠れてしまう。このため、電源電流IDDを測定することで不良検出することが、極めて困難あるいは不可能となってしまう。
【0027】
また、待機モード時においては、スイッチとしてのPチャネル型MOSFET及びNチャネル型MOSFETとを非導通状態としてしまう。このため、IC内部の論理ゲート回路には高電位側電源電圧及び低電位側電源電圧が供給されないため、論理ゲート回路に不良があったとしても、電源電流IDDからは検出することができない。
【0028】
以上のように、MTCMOS技術を使用したICに対しては、動作モード時は、サブスレッショルドリーク電流に基づく電源電流IDDが、一般的な高いしきい値電圧を有するMOSFETを使用して構成された論理ゲート回路を有するICと比較すると大きくなり、論理ゲート回路の不良を検出することが困難、あるいは不可能となってしまう。また、待機モード時は、電源電流IDDから論理ゲート回路の不良を検出できない。
【0029】
このように、MTCMOS技術を使用したIC、特に論理ゲート回路の集積規模の大きいICに対しては、IDDQ試験が適用できない。この結果、製品の量産出荷テスト時の不良検出率が低くなったり、不良検出率を上げるために、膨大な量のファンクション試験を追加する必要が生じ、テスト時間の増加やテストコストの増加が生ずることとなる。
【0030】
本発明は、上記課題に鑑みて、不良検出率を向上することが可能な半導体集積回路を提供することを目的とする。
【0031】
また、本発明は、半導体集積回路のチップサイズの増加を極力低減して、上記目的を実現可能な半導体集積回路を提供することを目的とする。
【0032】
また、本発明は、テスト時間やテストコストを増加することなく、不良検出率を向上できる半導体集積回路の試験方法を提供することを目的とする。
【0033】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するため、本発明の半導体集積回路は、第1の電源電圧が供給される第1の電源線と、ゲート電極、第1及び第2の電極を有し、該第1の電極が、前記第1の電源線に接続された、第1のしきい値を有する第1導電型の第1のMOSトランジスタと、前記第1のMOSトランジスタの前記第2の電極に接続された第1の疑似電源線と、前記第1のしきい値より低い第2のしきい値を有する少なくとも1つの第1導電型の第2のMOSトランジスタを含んで構成され、前記第1の疑似電源線から一方の電源電圧が供給されるもので、クロック信号が入力される内部論理回路と、テスト信号を受信可能な第1の端子と、前記第1の端子に受信されたテスト信号の論理レベルがテストを指示する所定の論理レベルの際に、前記第2のMOSトランジスタのサブストレート端子に、該第2のMOSトランジスタのしきい値を高くする電圧を供給する電圧供給回路と、を有し、前記テスト信号の論理レベルがテストを指示する所定の論理レベルの際に、前記内部論理回路への前記クロック信号の入力が禁止されるものである。
【0034】
また、本発明の半導体集積回路は、第1の電源電圧が供給される第1の電源線と、前記第1の電源電圧とは異なる第2の電源電圧が供給される第2の電源線と、ゲート電極、第1及び第2の電極を有し、該第1の電極が、前記第1の電源線に接続された、第1のしきい値を有する第1導電型の第1のMOSトランジスタと、ゲート電極、第1及び第2の電極を有し、該第1の電極が前記第2の電源線に接続された、第3のしきい値電圧を有する第2導電型の第3のMOSトランジスタと、前記第1のMOSトランジスタの前記第2の電極に接続された第1の疑似電源線と、前記第3のMOSトランジスタの前記第2の電極に接続され、前記内部論理回路へ他方の電源電圧を供給する第2の疑似電源線と、前記第1のしきい値より低い第2のしきい値を有する少なくとも1つの第1導電型の第2のMOSトランジスタと前記第3のしきい値より低い第4のしきい値を有する少なくとも1つの第2導電型の第4のMOSトランジスタとを含んで構成され、前記第1の疑似電源線から一方の電源電圧が供給され、前記第2の疑似電源線から他方の電源電圧が供給されるもので、クロック信号が入力される内部論理回路と、テスト信号を受信可能な第1の端子と、前記第1の端子に受信されたテスト信号の論理レベルがテストを指示する所定の論理レベルの際に、前記第2のMOSトランジスタのサブストレート端子に該第2のMOSトランジスタのしきい値を高くする第1の所定の電圧を供給するとともに、前記第4のMOSトランジスタのサブストレート端子に該第4のMOSトランジスタのしきい値を高くする第2の所定の電圧を供給する電圧供給回路と、を有し、前記テスト信号の論理レベルがテストを指示する所定の論理レベルの際に、前記内部論理回路への前記クロック信号の入力が禁止されるものである。
【0035】
また、本発明の半導体集積回路は、前記第2の端子と前記第4の端子とはワイヤボンディング接続にて電気的に接続されるようにしてもよい。
【0036】
また、本発明の半導体集積回路は、前記第1の端子と前記第3の端子とはワイヤボンディング接続にて電気的に接続されるようにしてもよい。
【0037】
また、本発明の半導体集積回路は、前記第1の電源線に接続された第3の端子と前記第2の電源線に接続された第4の端子とを有し、前記半導体集積回路が樹脂封止された状態においては、前記第1の端子と前記第3の端子とがワイヤボンディング接続され、前記第2の端子と前記第4の端子とがワイヤボンディング接続されるようにしてもよい。
【0038】
また、本発明の半導体集積回路の試験方法は、前記第1の電源線に前記第1の電源電圧を供給し、前記第1のMOSトランジスタを導通状態として、前記第1の端子を用いて、前記第2のMOSトランジスタのしきい値を高くする電圧を、前記第2のMOSトランジスタのサブストレート端子に供給した後に、前記内部論理回路に流れる電流値を測定するものである。
【0039】
また、本発明の半導体集積回路の試験方法は、前記第1の電源線に前記第1の電源電圧を、前記第2の電源線に前記第2の電源電圧を、それぞれ供給し、前記第1及び前記第3のMOSトランジスタを導通状態として、前記第1の端子を用いて、前記第2のMOSトランジスタのしきい値を高くする電圧を、前記第2のMOSトランジスタのサブストレート端子に、前記第2の端子を用いて、前記第4のMOSトランジスタのしきい値を高くする電圧を、前記第4のMOSトランジスタのサブストレート端子に、それぞれ供給した後に、前記内部論理回路に流れる電流値を測定するものである。
【0040】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体集積回路及びその試験方法について、図面を用いて以下に説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。図1は、Pチャネル型MOSFET(以下、PMOSと称する)、Nチャネル型MOSFET(以下、NMOSと称する)それぞれにおいて、しきい値電圧が異なる2種類のMOSFETを使用したMTCMOS技術を適用したICである。以下の説明において、特に説明がない限り、MOSFETのしきい値電圧VtはそのMOSFETのサブストレートーソース間電圧Vbsが0Vのときの値とする。また、各実施の形態におけるICは、シリコン基板上に形成されているものとする。
【0041】
図1におけるICは、高電位側電源電圧が供給された高電位側電源線(以下、VDD線と称する)101、低電位側電源電圧が供給された低電位側電源線(以下、VSS線と称する)102、高電位側疑似電源線(以下、VDDV線と称する)103、低電位側疑似電源線(以下、VSSV線と称する)104を有している。また、図1に示されるように、VDD線101に一方の電極が接続され、VDDV線103に他方の電極が接続されたPMOS111と、VSS線102に一方の電極が接続され、VSSV線104に他方の電極が接続されたNMOS121を有している。
【0042】
ここで、PMOS111とNMOS121は、高いしきい値電圧を有するものである。PMOS111のしきい値電圧Vtは、例えば、ー0.5Vであり、NMOS121のしきい値電圧Vtは、例えば、0.5Vである。
【0043】
また、PMOS111のゲート電極には制御信号SLが入力され、NMOS121のゲート電極には制御信号SLの電圧レベルと相補的な電圧レベルを有する反転論理信号SLが入力されている。つまり、制御信号SLの電圧レベルが高い(少なくともしきい値電圧Vtを越える電圧レベル)時には、PMOS111及びNMOS121が導通状態となる。このため、VDD線101とVDDV線103が電気的に接続状態となり、VSS線102とVSSV線104が電気的に接続状態となる。制御信号SLの電圧レベルが低い(少なくともしきい値電圧Vtを越えない電圧レベル)時には、PMOS111及びNMOS121が非導通状態となる。このため、VDD線101とVDDV線103が電気的な接続状態が断たれた状態となり、VSS線102とVSSV線104が電気的な接続状態が断たれた状態となる。つまり、PMOS111は高電位側のスイッチとして働き、NMOS121は低電位側のスイッチとして働く。
【0044】
図1においては、VDDV線103とVSSV線104それぞれに接続されたCMOS論理ゲート回路(以下、論理ゲート回路と称する)105が示されている。論理ゲート回路105にはVDDV線103から高電位側電源電圧が供給され、VSSV線104から低電位側電源電圧が供給される。
【0045】
図1の論理ゲート回路105は、低しきい値電圧を有するPMOS131〜133と、低いしきい値電圧を有するNMOS141〜143により構成されているものを示している。図1においては、例えば、PMOS131、132が並列接続され、NMOS141、142が縦列接続され、PMOS131と132それぞれの一方の電極がNMOS141の一方の電極に接続された回路と、PMOS133とNMOS143を縦列接続した回路とが示されている。なお、PMOS131、132、133それぞれの他方の電極はVDDV線103に接続され、NMOS142、143それぞれの一方の電極はVSSV線104に接続されている。
【0046】
論理ゲート回路105を構成するPMOSやNMOSのゲート電極に対する入力信号の配線を省略しているが、これらのゲート電極には、例えば、他の論理ゲート回路の出力信号配線や外部入力端子からの信号配線が接続される。例えば、PMOS131のゲート電極とNMOS141のゲート電極に同じ入力信号を入力し、PMOS132のゲート電極とNMOS142のゲート電極に同じ入力信号を入力すれば、PMOS131、132、NMOS141、142によりNANDゲートとして動作可能となる。また、PMOS133とNMOS143はインバータとして動作可能である。
【0047】
なお、論理ゲート回路105はこの回路構成に限定されることなく、様々な変更が可能である。また、実際のICにおいては、論理ゲート回路105内には、他にも多数の論理ゲート回路が配置されているが、ここでは、図及び説明の簡略化のため、PMOS131〜133とNMOS141〜143の6素子のみ示している。
【0048】
ここで、上述したように、PMOS131〜133とNMOS141〜143は、低いしきい値電圧を有するものである。PMOS131〜133のしきい値電圧Vtは、例えば、ー0.2Vであり、NMOS141〜143のしきい値電圧Vtは、例えば、0.2Vである。なお、PMOSにおいては、PMOS111のしきい値電圧Vtをー0.5Vとしているので、単純にその数値だけ比較すると、PMOS131〜133のしきい値電圧Vtの方が高いように見えるが、しきい値電圧が意味する、PMOSが導通状態となり得る境界値の幅としては、その数値の絶対値として見ると、PMOS131〜133のしきい値電圧Vtの方が低いことが分かる。
【0049】
図1における容量151と152は、それぞれVDDV線103とVSSV線104が他の電圧端子や配線や基板との間に持つ静電容量を図示化したものである。この容量151及び152には、それぞれVDDV線103及びVSSV線104に寄生的に付加される静電容量や、それぞれVDDV線103及びVSSV線104の電圧値を、動作モード時において安定化させるために故意に接続した容量素子の容量等が含まれている。
【0050】
ここで、高電位側スイッチであるPMOS111及びPMOS131〜133それぞれを、ドレイン、ゲート、ソース、サブストレートの各端子を持つ4端子素子として見た時、これらのPMOSのサブストレート端子は、半導体基板に形成されたN型ウェル層あるいはN型半導体基板(N型半導体基板を使用したICの場合)を介して、高電位側サブストレート電源線(以下、VDDS線と称する)106に接続されている。VDDS線106は、半導体基板上においては、VDD線101及びVDDV線103とは独立した電源線である。
【0051】
同様に、低電位側スイッチであるNMOS121及びNMOS141〜143それぞれを、ドレイン、ゲート、ソース、サブストレートの各端子を持つ4端子素子として見た時、これらのNMOSのサブストレート端子は、半導体基板に形成されたP型ウェル層あるいはP型半導体基板(P型半導体基板を使用したICの場合)を介して、低電位側サブストレート電源線(以下、VSSS線と称する)107に接続されている。VSSS線107は、半導体基板上においては、VSS線102及びVSSV線104とは独立した電源線である。
【0052】
図1に示されるパッド161は、高電位側電源電圧VDDをIC外部から供給するために半導体基板上に設けられた端子であり、パッド162は、低電位側電源電圧VSSをIC外部から供給するために半導体基板上に設けられた端子である。パッド161はVDD線101に接続されており、パッド162はVSS線102に接続されている。これらのパッド161、162は一般に電源パッドと称されている。
【0053】
図1に示されるパッド163は、VDDS線106を介してPMOS111、131〜133の各サブストレート端子にサブストレート電圧を供給するための端子であり、パッド164は、VSSS線107を介してNMOS121、141〜143の各サブストレート端子にサブストレート電圧を供給するための端子である。パッド163、164はともに半導体基板上に設けられている。
【0054】
このように、図1に示すICにおいては、ICを構成するPMOSのサブストレート端子をVDD線101と切り離し、このサブストレート端子に供給する電圧を、パッド163を用いて、例えば、外部から供給可能としている。同様に、ICを構成するNMOSのサブストレート端子をVSS線102と切り離し、このサブストレート端子に供給する電圧を、パッド164を用いて、例えば、外部から供給可能としている。次に、図1におけるICの動作について以下に説明する。
【0055】
製品の量産出荷試験時の論理機能試験あるいはファンクション試験の際、及び出荷試験後の実使用時には、パッド163には、パッド161と同様に高電位側電源電圧VDDを与え、パッド164には、パッド162と同様に低電位側電源電圧VSSを与える。これにより、図1のICは、MTCMOS技術を使用した通常のICとして論理動作することができる。
【0056】
つまり、動作モード時には、制御信号SLの電圧レベルを低電位側電源電圧VSSレベルとすることにより、PMOS111及びNMOS121はともに導通状態となる。この時、PMOS111及びNMOS121は導通状態において内部にオン抵抗を有するため、論理ゲート回路105が消費する電源電流による内部電圧降下を生じる。ここで、PMOS111及びNMOS121はこれらのオン抵抗を無視できる程度に小さくなるようゲート幅を大きく設計しておく。このため、VDDV線103はVDD線101とほぼ同電位にすることができ、VSSV線104はVSS線102とほぼ同電位にすることができる。この結果、論理ゲート回路105にはVDDV線103及びVSSV線104からそれぞれ高電位側電源電圧VDD相当の電圧及び低電位側電源電圧VSS相当の電圧が供給される。
【0057】
また、論理ゲート回路105を構成するPMOS131〜133のサブストレート端子には高電位側電源電圧VDDが供給され、NMOS141〜143のサブストレート端子には低電位側電源電圧VSSが供給されているため、論理ゲート回路105は論理動作が可能となる。
【0058】
ここで、論理ゲート回路105を構成するPMOS131〜133及びNMOS141〜143は低いしきい値電圧Vtを有するものとしているため、論理ゲート回路を高いしきい値電圧を有するPMOSやNMOSで構成した場合と比べて、ゲート遅延時間tpdを同等以上に保持したまま、電源電圧VDDを低くして動作することができる。つまり、この状態での図1のICの動作及び機能は従来のMTCMOS技術を用いたICに何ら劣ることはない。
【0059】
また、待機モード時には、制御信号SLの電圧レベルを高電位側電源電圧VDDレベルとすることにより、PMOS111及びNMOS121はともに非導通状態となる。このため、論理ゲート回路105には、高電位側電源電圧VDD及び低電位側電源電圧VSSの供給が停止されるので、この時のサブスレッショルドリーク電流Ileakはスイッチを構成するNMOS111及びPMOS121の非導通状態でのサブスレッショルド電流特性で決まることとなる。上述したように、スイッチを構成するNMOS111及びPMOS121はしきい値電圧を高くしているので、論理ゲート回路105を低いしきい値電圧を有するPMOSやNMOSで構成しているにも係らず、サブスレッショルドリーク電流Ileakを小さい値とすることができる。つまり、この状態での図1のICの動作及び機能も従来のMTCMOS技術を用いたICに何ら劣ることはない。
【0060】
次に、製品の量産出荷試験時において、図1のICに対するIDDQ試験を実施する場合の動作についてを以下に説明する。
【0061】
IDDQ試験の実施時においては、パッド163には高電位側電源電圧VDDよりも高い電圧、例えば、VDD+1.0Vの電圧を印加する。このため、PMOS111、131〜133のサブストレート端子には、VDD+1.0Vの電圧が印加されるため、各PMOSのサブストレートーソース間電圧Vbsは、1.0Vとなる。また、パッド164には低電位側電源電圧VSSよりも低い電圧、例えば、VSS−2.0Vの電圧を印加する。このため、NMOS121、141〜143のサブストレート端子には、VSS−2.0Vの電圧が印加されるため、各NMOSのサブストレートーソース間電圧Vbsは、−2.0Vとなる。
【0062】
ここで、上記のようなサブストレート電圧が印加された場合のPMOS及びNMOSの電気的特性の変化についてを説明する、図2はサブミクロンクラスのMOSFETのしきい値電圧Vtにおけるサブストレートーソース間電圧Vbs依存の一般的特性を示す図である。図2(a)はPMOSの例であり、図2(b)はNMOSの例である。
【0063】
図2に示されるように、一般にMOSFETのしきい値電圧Vtは、サブストレートーソース間電圧Vbsにより変化することが分かる。これは、基板バイアス効果として知られるMOSFETの電気的特性である。図2(a)に示すように、PMOSの場合、Vbs=0Vの時、それぞれしきい値電圧Vtがー0.5V及びー0.2Vに設定されている2つのPMOSにおいては、サブストレート端子に与える電圧であるサブストレート電圧をVDD+1.0VすなわちVbs=1.0Vとすることにより、しきい値電圧はそれぞれー0.8V及びー0.5V程度のVtとなる。つまり、しきい値電圧は、負の方向に大きくなる。
【0064】
同様に、図2(b)に示すように、NMOSの場合、Vbs=0Vの時、それぞれしきい値電圧Vtが0.5V及び0.2Vに設定されている2つのNMOSにおいては、サブストレート端子に与える電圧であるサブストレート電圧をVDD−2.0VすなわちVbs=−2.0Vとすることにより、しきい値電圧はそれぞれ0.8V及び0.5V程度のVtとなる。つまり、しきい値電圧は、正の方向に大きくなる。
【0065】
このように、図1においては、論理ゲート回路105を構成するPMOS131〜133のしきい値電圧Vtをー0.2V(ただし、Vbs=0V)とし、NMOS141〜143のしきい値電圧Vtを0.2V(ただし、Vbs=0V)としたにも係らず、パッド163及びパッド164からサブストレート電圧として任意の電圧値を印加することにより、各MOSFETのしきい値電圧Vtを変化させることができる。本実施の形態の場合、パッド163にはVDD+1.0Vを印加し、パッド164にはVSSー2.0Vを印加しているため、論理ゲート105を構成するPMOS131〜133のしきい値電圧Vtを高いしきい値電圧と同程度のー0.5Vに設定でき、NMOS141〜143のしきい値電圧Vtを高いしきい値電圧と同程度の0.5Vに設定できる。
【0066】
このように設定することにより、例えば、0.25μmクラスで10万ゲートを集積したICを想定すると、制御信号SLの電圧レベルを低電位側電源電圧VSSレベルとしてPMOS111及びNMOS121をともに導通状態とした動作モード時においても、IC全体でのサブスレッショルドリーク電流Ileakを100nA〜10μA程度に抑制することができる。このため、IDDQ試験が可能となる。
【0067】
つまり、パッド163、164からの電圧印加により、論理ゲート回路105のMOSFETのしきい値電圧を通常の状態より高くした状態で、IC内部の各論理ゲート回路の出力電圧のレベルを高電圧レベルあるいは低電圧レベルに設定した何パターンかでの安定状態で、電源電流IDDの電流値を測定する。測定した電源電流IDDの電流値が、予め予測されるリーク電流値(例えば、100nA〜10μA)よりも十分に大きな電流値として計測されることで、IC内部での異常の発生が判断できる。このように、電源電流IDDを測定することで、そのIC内部での配線間のショート等による異常がある場合には、100μA〜10mAのショート電流が電源電流IDDに重畳されるため、異常の判定が容易に行える。
【0068】
以上のように、第1の実施の形態における半導体集積回路においては、論理ゲート回路105を構成する各PMOS及び各NMOSに対するサブストレート電圧を、パッド163及びパッド164から任意の電圧を外部から印加可能としている。このため、製品の量産出荷試験時のIDDQ試験の時に、サブストレート電圧として、論理ゲート回路を構成する低いしきい値電圧Vtを有するPMOS及びNMOSのしきい値電圧Vtを高くするような電圧を印加することで、IDDQ試験におけるIC内部での異常を容易に検出可能となり、製品の量産出荷試験時における不良検出率を向上させることが可能となる。
【0069】
また、本実施の形態によれば、不良検出率を向上するために、膨大なファンクション試験を追加する必要もないので、テスト時間の増加やテストコストの増加を大幅に低減することができる。さらに、本実施の形態によれば、上記の効果を得るために、特に、VDDS線106、VSSS線107、パッド163、164を設けている程度であり、IC全体としてのチップサイズが増大することもない。これらのVDDS線106、VSSS線107、パッド163、164は通常の半導体製造技術を用いれば構成可能のものであり、製造工程が複雑化したり、増加することもほとんどない。
【0070】
次に、第2の実施の形態についてを図面を用いて説明する。図3は第2の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。なお、図3において、図1と同様な構成要素については、同様の符号を付けている。また、図3の構成の説明においては、図1と異なる部分についてのみ説明する。
【0071】
図3においては、高電位側スイッチであるPMOS111のサブストレート端子をVDD線101に接続し、低電位側スイッチであるNMOS121のサブストレート端子をVSS線102に接続している。図4におけるICにおける動作についてを以下に説明する。
【0072】
製品の量産出荷試験時の論理機能試験あるいはファンクション試験の際、及び出荷試験後の実使用時には、パッド163には、パッド161と同様に高電位側電源電圧VDDを与え、パッド164には、パッド162と同様に低電位側電源電圧VSSを与える。これにより、PMOS111、131〜133の各サブストレート端子には高電位側電源電圧VDDが供給され、NMOS121、141〜143の各サブストレート端子には低電位側電源電圧VSSが供給された状態となる。この場合、図3のICは、図1のICと同様に、MTCMOS技術を使用した通常のICとして論理動作することができる。この状態での動作は、図1の場合と同様となるので、ここでは省略する。
【0073】
次に、製品の量産出荷試験において、図3のICにおけるIDDQ試験を実施した場合の動作を以下に説明する。
【0074】
IDDQ試験時においては、パッド163には、高電位側電源電圧VDDよりも高い電圧として、例えば、VDD+1.0Vの電圧を印加する。このため、論理ゲート回路105を構成するPMOS131〜133のサブストレート端子には、VDD+1.0Vの電圧が印加されることとなる。よって、論理ゲート回路105を構成するPMOS131〜133の各サブストレートーソース間電圧Vbsは1.0Vとなるため、しきい値電圧Vtはー0.5Vに設定される。
【0075】
また、パッド164には、低電位側電源電圧VSSよりも低い電圧として、例えば、VSS−2.0Vの電圧を印加する。このため、論理ゲート回路105を構成するNMOS141〜143のサブストレート端子には、VSS−2.0Vの電圧が印加されることとなる。よって、論理ゲート回路105を構成するNMOS141〜143の各サブストレートーソース間電圧Vbsは−2.0Vとなるため、しきい値電圧Vtは0.5Vに設定される。
【0076】
このため、第2の実施の形態においては、第1の実施の形態と同様に、IDDQ試験時には、論理ゲート回路105を構成する各PMOS及び各NMOSのしきい値電圧を高くすることができるので、第1の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【0077】
また、第2の実施の形態においては、さらに次のような効果が得られる。
【0078】
第1の実施の形態においては、IDDQ試験時に、高電位側スイッチであるPMOS111にはVDDS線106からVDD+1.0Vのサブストレート電圧が与えられ、低電位側スイッチであるPMOS121にはVSSS線107からVSS−2.0Vのサブストレート電圧が与えられる。このため、PMOS111のしきい値電圧はー0.8V程度に、NMOS121のしきい値電圧は0.8V程度になる。この結果、IDDQ試験時にスイッチであるPMOS111、NMOS121が導通状態において、内部オン抵抗が高くなることとなる。MOSFETの導通状態でのドレイン電流Idは、ゲートーソース間電圧をVgsとすると、次式で表現できる。
Id∝(VgsーVt)2 ・・・・(5)
【0079】
ここで、動作モード時におけるPMOS111及びNMOS121のVgsはVgs=VDDとなる。このため、動作モード時におけるドレイン電流Idは(5)式に基づき、次のように表現できる。
Id∝(VDDーVt)2 ・・・・(6)
【0080】
(6)式からわかるように、しきい値電圧Vtが高くなると、ドレイン電流Idが小さく、言い換えると、オン抵抗が大きくなる。このため、IDDQ試験時において、IC内部の論理ゲート回路105を動作させて論理ゲート回路105の各出力電圧を所定の電圧レベル(高電圧レベルあるいは低電圧レベル)に設定する際、PMOS111及びNMOS121の電源電流の供給が不足する可能性が考慮される。この場合、VDDV線103及びVSSV線104の電圧レベルが大きく変動することとなり、論理ゲート回路105の動作が安定しずらく、論理ゲート回路105の出力電圧の電圧レベルが正確に設定することに時間がかかる。PMOS111及びNMOS121のゲート幅をより大きく設計して電流供給能力を高くすることで、対応可能であるが、この場合、ICのチップ面積が増加する。
【0081】
第2の実施の形態においては、PMOS111のサブストレート端子はVDD線101に接続し、NMOS121のサブストレート端子はVSS線102に接続している。このため、IDDQ試験時においても、PMOS111及びNMOS121のサブストレート電圧は変化することはない。この結果、IDDQ試験時に、PMOS111及びNMOS121の電流供給能力が不足することがないため、論理ゲート回路105の出力電圧の電圧レベルを正確に設定することが容易に可能となる。
【0082】
ここで、第1の実施の形態及び第2の実施の形態におけるICの構造についてを説明する。図4は、第1の実施の形態におけるICの構造を示す要部断面図であり、図5は、第2の実施の形態におけるICの構造を示す要部断面図である。図4、図5とも、図の複雑化を避けるため、論理ゲート回路105内のPMOS131、132及びNMOS141、142は省略してある。また、図4において、図1の構成要素に対応する構成要素については図1と同じ符号を付け、図5において、図3の構成要素に対応する構成要素については図3と同じ符号を付けている。
【0083】
図4において、P型シリコン基板201にはNウェル層203とPウェル層205が形成されている。Nウェル層203内には、PMOS111のソース電極211及びドレイン電極213、PMOS133のソース電極221及びドレイン電極223がそれぞれ形成されている。Nウェル層203上において、PMOS111のソース電極211とドレイン電極213との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極215が形成され、PMOS133のソース電極221とドレイン電極223との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極225が形成されている。
【0084】
また、Pウェル層205内には、NMOS121のソース電極241及びドレイン電極243、NMOS143のソース電極231及びドレイン電極233がそれぞれ形成されている。Pウェル層205上において、NMOS121のソース電極241とドレイン電極243との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極245が形成され、NMOS143のソース電極231とドレイン電極233との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極235が形成されている。
【0085】
Nウェル層203は、VDDS線106を介してパッド163に接続されている。PMOS111のソース電極211はVDD線101を介してパッド161に接続されている。PMOS111のドレイン電極213は、VDDV線103を介してPMOS133のソース電極221に接続されている。PMOS133のドレイン電極223は配線207を介してNMOS143のドレイン電極233に接続されている。
【0086】
Pウェル層205は、VSSS線107を介してパッド164に接続されている。NMOS121のソース電極241はVSS線102を介してパッド162に接続されている。NMOS121のドレイン電極243は、VSSV線104を介してNMOS143のソース電極231に接続されている。
【0087】
図4において、Nウェル層203及びPウェル層205がそれぞれPMOS及びNMOSにおけるサブストレート端子に相当する。つまり、各PMOSのサブストレート端子はVDDS線106に接続され、各NMOSのサブストレート端子はVSSS線107に接続される。このように、図1に示す第1の実施の形態のICは、それぞれ1つのNウェル層とPウェル層により各MOSFETを形成することができ、ダブルウェル構造のCMOSプロセス技術にて実現可能である。
【0088】
なお、図4においては、P型シリコン基板にて説明したが、N型シリコン基板においても、同様に考慮される。この場合、P型シリコン基板201をN型シリコン基板に置き換えて、その他の構成要素は同一として考慮すればよい。
【0089】
図5(a)は、第2の実施の形態のICをP型シリコン基板を用いて構成した図である。図5(a)において、P型シリコン基板301には3つのNウェル層302、303、304とPウェル層306が形成されている。Nウェル層302内には、PMOS111のソース電極211及びドレイン電極213が形成され、Nウェル層303内には、PMOS133のソース電極221及びドレイン電極223が形成されている。Nウェル層302上において、PMOS111のソース電極211とドレイン電極213との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極215が形成され、Nウェル層303上において、PMOS133のソース電極221とドレイン電極223との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極225が形成されている。
【0090】
Nウェル層304内にはPウェル層305が形成されている。Pウェル層305内には、NMOS143のソース電極231及びドレイン電極233が形成されている。Pウェル層305上において、NMOS143のソース電極231とドレイン電極233との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極235が形成されている。
【0091】
また、Pウェル層306内には、NMOS121のソース電極241及びドレイン電極243がそれぞれ形成されている。Pウェル層306上において、NMOS121のソース電極241とドレイン電極243との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極245が形成されている。
【0092】
Nウェル層302及びPMOS111のソース電極211はVDD線101を介してパッド161に接続されている。Nウェル層303はVDDS線106を介してパッド163に接続されている。PMOS111のドレイン電極213は、VDDV線103を介してPMOS133のソース電極221に接続されている。PMOS133のドレイン電極223は配線207を介してNMOS143のドレイン電極233に接続されている。
【0093】
Pウェル層305は、VSSS線107を介してパッド164に接続されている。NMOS143のソース電極241はVSSV線104を介してNMOS121のドレイン電極243に接続されている。Pウェル層306及びNMOS121のソース電極241はVSS線102を介してパッド162に接続されている。
【0094】
図5(a)において、Nウェル層304を設けているのは、Pウェル層305とPウェル層306とが、P型シリコン基板を介して電気的に抵抗性接続がなされてしまうことを防止するためである。このため、Nウェル層304はPウェル層305を取り囲むように形成されている。このNウェル層304には電源電圧VDD等の高電位側電源電圧を与えることにより、Pウェル層305とPウェル層306とは電気的に分離することができる。
【0095】
Nウェル層302、303及びPウェル層305、306がそれぞれ各ウェル層内に構成されるPMOSやNMOSにおけるサブストレート端子に相当する。よって、第2の実施の形態におけるICのスイッチであるPMOS111とNMOS121の各サブストレート端子には論理ゲート回路105の各MOSFETのサブストレート端子とは異なる電圧が供給される構成とすることができる。よって、第2の実施の形態のICは、図5(a)に示すようなウェル構造とすることで実現可能である。このようなウェル構造はトリプルウェル構造と呼ばれ、トリプルウェル構造のCMOSプロセス技術にて、第2の実施の形態のICは実現可能である。
【0096】
図5(b)は、第2の実施の形態のICをN型シリコン基板を用いて構成した図である。図5(b)において、N型シリコン基板401には3つのPウェル層404、405、406とNウェル層402が形成されている。Nウェル層402内には、PMOS111のソース電極211及びドレイン電極213が形成され、Pウェル層404内にはNウェル層403が形成されている。Nウェル層403内には、PMOS133のソース電極221及びドレイン電極223が形成されている。Nウェル層402上において、PMOS111のソース電極211とドレイン電極213との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極215が形成され、Nウェル層403上において、PMOS133のソース電極221とドレイン電極223との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極225が形成されている。
【0097】
Pウェル層405内には、NMOS143のソース電極231及びドレイン電極233が形成されている。Pウェル層405上において、NMOS143のソース電極231とドレイン電極233との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極235が形成されている。
【0098】
また、Pウェル層406内には、NMOS121のソース電極241及びドレイン電極243がそれぞれ形成されている。Pウェル層406上において、NMOS121のソース電極241とドレイン電極243との間に、ゲート酸化膜を介してゲート電極245が形成されている。
【0099】
Nウェル層402及びPMOS111のソース電極211はVDD線101を介してパッド161に接続されている。Nウェル層403はVDDS線106を介してパッド163に接続されている。PMOS111のドレイン電極213は、VDDV線103を介してPMOS133のソース電極221に接続されている。PMOS133のドレイン電極223は配線207を介してNMOS143のドレイン電極233に接続されている。
【0100】
Pウェル層405は、VSSS線107を介してパッド164に接続されている。NMOS143のソース電極231はVSSV線104を介してNMOS121のドレイン電極243に接続されている。Pウェル層406及びNMOS121のソース電極241はVSS線102を介してパッド162に接続されている。
【0101】
図5(b)において、Pウェル層404を設けているのは、Nウェル層402とNウェル層403とが、N型シリコン基板401を介して電気的に抵抗性接続がなされてしまうことを防止するためである。このため、Pウェル層404はNウェル層403を取り囲むように形成されている。このPウェル層404には電源電圧VSS等の低電位側電源電圧を与えることにより、Nウェル層402とNウェル層403とは電気的に分離することができる。
【0102】
Nウェル層402、403及びPウェル層405、406がそれぞれ各ウェル層内に構成されるPMOSやNMOSにおけるサブストレート端子に相当する。よって、第2の実施の形態におけるICのスイッチであるPMOS111とNMOS121の各サブストレート端子には論理ゲート回路105の各MOSFETのサブストレート端子とは異なる電圧が供給される構成とすることができる。よって、第2の実施の形態のICは、N型シリコン基板を用いても、図5(b)に示すようなウェル構造とすることで実現可能である。
【0103】
次に、第3の実施の形態についてを図面を用いて説明する。図6は第3の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。なお、図6において、図1と同様な構成要素については、同様の符号を付けている。また、図6の構成の説明においては、図1と異なる部分についてのみ説明する。
【0104】
図6においては、図1のICに対して、VDDS線106とVDD線101とを後工程にて接続できるように、VDD線101にVDDS線106との接続用のパッド165を設けている。また、VSSS線107とVSS線102とを後工程にて接続できるように、VSS線102にVSSS線107との接続用のパッド166を設けている。なお、ここで言う「後工程」とは、シリコン基板上に素子を形成する製造プロセス工程(一般にウェハプロセス工程と言われる)の完了後における、プロービングによるテスト等を実施して得られた良品と判断されたチップをスクライブ、ワイヤボンド、及びパッケージングする組立工程(一般にアセンブリ工程と言われる)のことを指すものである。図6は、パッド163がパッド165にワイヤ167にてワイヤボンド接続され、パッド164がパッド166にワイヤ168にてワイヤボンド接続された状態を示している。
【0105】
ワイヤ167及びワイヤ168により、それぞれパッド163とパッド165、及びパッド164とパッド166を接続する前においては、第1の実施の形態と同様の状態となる。このため、第1の実施の形態と同様な作用、効果が望めるものである。つまり、第1の実施の形態と同様に、IDDQ試験等を実施することができる。
【0106】
IDDQ試験等の製品の量産出荷テスト時の後に、後工程にてそれぞれパッド163とパッド165、及びパッド164とパッド166を、それぞれワイヤ167及び168によりワイヤボンド接続する。このため、ICとしての外部端子としては、パッド163とパッド165を電源電圧VDDを外部から受ける1つの外部端子でよく、パッド164とパッド166を接地電圧VSSを外部から受ける1つの外部端子でよい。よって、パッド163、164の追加に応じて、ICとしての外部端子が追加されることがないため、ICとしての外部端子数は、本発明を適用しないものと同様とすることができる。
【0107】
よって、第3の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様な効果が得られるとともに、ICの端子数の増加を防止することができるため、IC製品としての使い易さを損なうことや、パッケージ材料費用のコストアップを発生することがない。また、第3の実施の形態の特徴を第2の実施の形態のICに適用することも可能である。
【0108】
次に、第4の実施の形態についてを図面を用いて説明する。図7は第4の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。なお、図7において、図1と同様な構成要素については、同様の符号を付けている。また、図7の構成の説明においては、図1と異なる部分についてのみ説明する。
【0109】
図7においては、図1の回路に対して、パッド163、164の代わりに、論理ゲート回路105を構成する各MOSFETのサブストレート電圧を発生する電圧発生回路201が設けられている。電圧発生回路201を設けたことに伴って、パッド205、NMOS203、PMOS207も設けられている。図7におけるその他の構成要素は図1と同様である。
【0110】
電圧発生回路201には、パッド205に入力される信号、例えば、IDDQ試験等のテストを指示するテスト信号が配線213を介して入力される。また、電圧発生回路201には、NMOS203が導通状態の時に、NMOS203を介してクロック信号CKが入力される。NMOS203のゲート電極はパッド205に接続されている。PMOS207は、導通状態の時に、クロック信号CKをIC内部、例えば、論理ゲート回路105に伝達するものである。PMOS207のゲート電極はパッド205に接続されている。
【0111】
つまり、パッド205から、高電位側電源電圧VDDレベルの電圧を有するテスト信号が入力された時には、PMOS207は非導通状態となり、NMOS203は導通状態となる。このため、論理ゲート回路105にはクロック信号CKが転送されないため、論理ゲート回路105の出力電圧のレベルを固定しておくことができる。また、電圧発生回路201にはクロック信号CKが供給され、論理ゲート回路105を構成する各MOSFETのしきい値電圧を高くするサブストレート電圧を発生し、これを、VDDS線106、VSSS線107に伝達する。従って、第1の実施の形態と同様に、IDDQ試験を実施することができる。
【0112】
また、パッド205から、低電位側電源電圧VSSレベルの電圧を有するテスト信号が入力された時には、PMOS207は導通状態となり、NMOS203は非導通状態となる。このため、論理ゲート回路105にはクロック信号CKが転送される。また、電圧発生回路201にはクロック信号CKが供給されないため、論理ゲート回路105を構成する各MOSFETのしきい値電圧を低い状態に保つサブストレート電圧を発生し、これを、VDDS線106、VSSS線107に伝達する。従って、第1の実施の形態と同様に、論理ゲート回路105は論理動作可能となり、IC全体として通常の動作が実行できる。
【0113】
ここで、電圧発生回路201の構成についてを図面を用いて説明する。図8は、電圧発生回路201の回路図である。
【0114】
図8に示すように、電圧発生回路201は2入力1出力のNANDゲート221、インバータ221、コンデンサ223及び224、NMOS225〜228から構成されている。NANDゲート221の2つの入力端子には配線211を介してクロック信号CKと、配線213を介してパッド205から入力される信号(例えばテスト信号)が入力される。NANDゲート221の出力端子はインバータ222の入力端子に接続されている。インバータ222の出力端子はコンデンサ223及び224それぞれの一方の電極に接続されている。なお、電圧発生回路201を構成する各NMOS225〜228は、NMOS121と同様に高いしきい値電圧を有するものとし、各NMOS225〜228のサブストレート端子はVSS線102に接続されているものとする。
【0115】
コンデンサ223の他方の電極はNMOS225及び227それぞれの一方の電極に接続されている。NMOS225のゲート電極及び他方の電極には高電位側電源電圧VDDが供給されている。NMOS227のゲート電極はコンデンサ223の他方の電極と接続されている。NMOS227の他方の電極はVDDS線106に接続されている。
【0116】
コンデンサ224の他方の電極はNMOS226及び228それぞれの一方の電極に接続されている。NMOS226のゲート電極はコンデンサ223の他方の電極と接続されている。NMOS226の他方の電極には低電位側電源電圧VSSが供給されている。NMOS228のゲート電極及び他方の電極はVSSS線107に接続されている。
【0117】
このように接続された電圧発生回路201はパッド205から、電圧レベルが低電位側電源電圧VSSレベルのテスト信号が入力された時は、NANDゲート221の出力信号の電圧レベルが高電位側電源電圧VDDレベルに固定される。このため、VDDS線106には、導通状態のNMOS225、227を介して高電位側電源電圧VDDが供給されることとなり、VSSS線107には、導通状態のNMOS226、228を介して低電位側電源電圧VSSが供給されることとなる。このため、上述したように、論理ゲート回路105の各MOSFETのしきい値電圧は低い状態に維持され、論理ゲート回路105は論理動作可能となり、IC全体として通常の動作が実行できる。
【0118】
また、パッド205から、電圧レベルが高電位側電源電圧VDDレベルのテスト信号が入力された時は、NANDゲート221の出力信号の電圧レベルが配線211から伝達されるクロック信号CKの電圧レベルに応じたものとなる。このNANDゲート221の出力信号がインバータ222にて波形整形されて、コンデンサ223、224の一方の電極に伝達される。コンデンサ223、224はインバータ222の出力信号に応じて、充放電を繰り返し行う。このコンデンサの動作に基づいて、VDDS線106には、導通状態のNMOS225、227を介して供給される高電位側電源電圧VDDより高い電圧、例えば、VDD+1.0Vが供給されることとなり、VSSS線107には、導通状態のNMOS226、228を介して供給される低電位側電源電圧VSSより低い電圧、例えば、VSSー2.0Vが供給されることとなる。このため、上述したように、論理ゲート回路105の各MOSFETのしきい値電圧を高くすることができ、IDDQ試験が実行できる。
【0119】
このように、第4の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果が得られる上、高電位側電源電圧VDDレベルあるいは低電位側電源電圧VSSレベルの電圧レベルを有する信号をパッド205から入力することで、論理ゲート回路105を構成する各MOSFETのサブストレート電圧を変更することができる。この結果、ICの外部にて論理ゲート回路105を構成する各MOSFETのしきい値電圧を高くするようなサブストレート電圧を入力する必要あるいは、ICの外部にてそのようなサブストレート電圧を発生する回路を設ける必要がない。
【0120】
また、図7のICを樹脂封止する場合に、パッド205に対応して、パッド205に接続され、パッド205に外部からのテスト信号を入力可能とするための外部リードを設けておけば、パッケージングされた後にも、必要に応じて、IDDQ試験を行うことができるので、使い勝手がより高くなる。なお、上述したようなテスト信号を発生可能な回路を有するICであれば、そのテスト信号発生回路から出力されるテスト信号をパッド205に入力されるようにしておけば、外部端子数の増加もなくなることが期待できる。
【0121】
なお、VSS線102に、図6に示すパッド166のようなものを設けておけば、図7のICを樹脂封止する場合に、パッド166とパッド205をワイヤボンディング接続すれば、外部端子数を増やすことなく、通常のICとしてのみ動作可能とすることもできる。また、NMOS203は設けなくともよいが、本実施の形態においては、クロック信号CKを電圧発生回路201のNANDゲート221に供給しないことにより、より確実な動作を電圧発生回路201が行えるようにするため、NMOS203を設けているものである。なお、第4の実施の形態の特徴を第2の実施の形態のICに適用することも可能である。
【0122】
以上、第1、第2、第3及び第4の実施の形態においては、VDD線101とVDDV線103との間に高いしきい値電圧を有するPMOS111を持ち、VSS線102とVSSV線104との間に高いしきい値電圧を有するNMOS121を持ち、論理ゲート回路105が低いしきい値電圧を有するMOSFETで構成されたMTCMOS技術を使用したICについて、本発明を適用した場合についてを述べてきた。しかしながら、MTCMOS技術では、PMOS111あるいはNMOS121を省略した構成であっても問題はない。
【0123】
例えば、図9、図10にそれぞれ第2の実施の形態のICの変形例を示す。図9のICは、第2の実施の形態である図3のICに対して、NMOS121及びVSSV線104を削除している。また、論理ゲート回路105には、VSSV線104の代わりにVSS線102が直接接続されている。MTCMOS技術では、VDD線101とVSS線102との間に、PMOS111あるいはNMOS121に相当する、少なくとも1つ以上の高いしきい値電圧を有するMOSFETの電源スイッチを設けておけば、待機モード時におけるサブスレッショルドリーク電流を小さくすることができるため、図9の構成であってもよいことが理解できる。このため、図9のような構成あっても、第2の実施の形態と同様な効果が期待できる。
【0124】
同様に、図10のICは、第2の実施の形態である図3のICに対して、PMOS111及びVDDV線103を削除している。また、論理ゲート回路105には、VDDV線103の代わりにVDD線101が直接接続されている。図10の構成においても、第2の実施の形態と同様な効果が期待できる。
【0125】
なお、図9あるいは図10にて説明したような、PMOS111あるいはNMOS121を省略した構成は、第2の実施の形態に限らず、第1、第3あるいは第4の実施の形態のいずれとも組み合わせた適用が可能である。
【0126】
以上、各実施の形態についてを詳細に説明したが、本発明は上記の構成に限定されるものではない。
【0127】
例えば、論理ゲート回路105の回路構成については、上記各実施の形態で説明したものに限られるものではない。つまり、論理ゲート回路105には、低いしきい値電圧のMOSFETだけでなく、高いしきい値電圧のMOSFETが含まれるものであってもよい。これは、特に、遅延時間を短くして高速化を必要とすることが要求されない回路においては、論理ゲート回路105内において高いしきい値電圧のMOSFETを含めて構成される場合もあるからである。このような論理ゲート回路105を有するICにおいても、低いしきい値電圧を有するMOSFETのしきい値電圧を高くすることが可能なように、本発明の構成を適用すれば、本発明における効果を得ることができる。
【0128】
このように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0129】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、不良検出率を向上することが可能な半導体集積回路を提供することができる。
【0130】
また、本発明によれば、半導体集積回路のチップサイズの増加を極力低減して、不良検出率を向上することを実現可能な半導体集積回路を提供することができる。
【0131】
また、本発明によれば、テスト時間やテストコストを増加することなく、不良検出率を向上できる半導体集積回路の試験方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。
【図2】MOSFETのしきい値電圧Vtにおけるサブストレートーソース間電圧Vbs依存の一般的特性を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。
【図4】第1の実施の形態における半導体集積回路の構造を示す要部断面図である。
【図5】第2の実施の形態における半導体集積回路の構造を示す要部断面図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。
【図7】本発明の第4の実施の形態における半導体集積回路の要部を示す回路図である。
【図8】図7における電圧発生回路の回路図である。
【図9】第2の実施の形態における半導体集積回路の変形例である。
【図10】第2の実施の形態における半導体集積回路の変形例である。
【符号の説明】
101 高電位側電源電圧線
102 低電位側電源電圧線
103 高電位側疑似電源電圧線
104 低電位側疑似電源電圧線
105 論理ゲート回路
106 高電位側サブストレート電源線
107 低電位側サブストレート電源線
111 高電位側電源スイッチ
121 低電位側電源スイッチ
151、152 容量
161、162、163、164、165、166、205 パッド
131、132、133 Pチャネル型MOSFET
141,142,143 Nチャネル型MOSFET
201 電圧発生回路
203 Nチャネル型MOSFET
207 Pチャネル型MOSFET[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit configured by integrating a plurality of N-channel MOSFETs and a plurality of P-channel MOSFETs, and in particular, each of the plurality of channel-type MOSFETs includes MOSFETs having at least different threshold voltages. The present invention relates to a semiconductor integrated circuit and a test method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, portable information devices represented by PHS (Personal Handyphone System), PDA (Personal Digital Assistant) and the like have become widespread. One of the components of this portable information device is a semiconductor integrated circuit (hereinafter referred to as IC). In such an IC, there is a strong demand to reduce power consumption without reducing processing speed performance.
[0003]
ICs using CMOS technology are known to have lower power consumption than ICs using bipolar technology or EDMOS technology. However, in recent years, with the increase in operating frequency of ICs, the size of power consumption has become a problem even in ICs using CMOS technology.
[0004]
The power consumption of a CMOS logic gate circuit in an IC using CMOS technology is generally approximated by the following equation.
P∝K · C · Vdd2 · f + Ileak · Vdd (1) where K is the switching probability, C is the output load capacity of the CMOS logic gate circuit, Vdd is the power supply voltage, and f is the power supply voltage. The operating frequency, Ileak, is a subthreshold leakage current. The subthreshold leakage current will be described later. Note that “·” in the expression (1) is a multiplier, and the same applies to the expressions described later.
[0005]
When the IC is in an operation mode (for example, when a clock signal of a predetermined frequency is supplied to the CMOS logic gate circuit and the CMOS logic gate circuit is in an operating state), the first term of the equation (1) is dominant and consumed. The power is proportional to the square of the power supply voltage Vdd. Further, when the IC is in the standby mode (when the supply of the clock signal to the CMOS logic gate circuit is prohibited and the operation of the CMOS logic gate circuit is stopped), the operating frequency f becomes zero. The second term of the equation becomes dominant. As can be seen from the equation (1), by reducing the power supply voltage Vdd, the power consumption particularly in the operation mode can be significantly reduced. For this reason, there is a growing demand for ICs used in portable information devices to operate at a low power supply voltage.
[0006]
As described above, the power consumption in the IC can be reduced by reducing the power supply voltage Vdd. However, when the power supply voltage Vdd is lowered, the gate delay time tpd of the CMOS logic gate circuit constituting the IC is increased. The gate delay time tpd of the CMOS logic gate circuit is generally approximated by the following equation.
tpd = C · Vdd / (Vdd−Vt) α (2) In the equation (2), C is an output load capacitance of the CMOS logic gate circuit, Vdd is a power supply voltage, and Vt is a switching MOSFET. The threshold voltage α is a coefficient determined according to the device generation, and 1 ≦ α ≦ 2.
[0007]
As apparent from the equation (2), it can be seen that when the power supply voltage Vdd is lowered, the gate delay time tpd gradually increases. In particular, if the power supply voltage Vdd is reduced to near the threshold voltage Vt of the MOSFET, the denominator on the right side of the equation (2) becomes a small numerical value, and it can be seen that the gate delay time tpd significantly increases. Therefore, in order to lower the power supply voltage Vdd without increasing the gate delay time tpd, it is necessary to lower the threshold voltage Vt of the MOSFET in accordance with the lowering of the power supply voltage Vdd.
[0008]
On the other hand, the power consumption in the standby mode of the CMOS logic gate circuit (hereinafter referred to as standby power consumption) is leakage when the gate-source voltage of the MOSFET is 0 V as shown in the second term of the equation (1). The current is generally determined by Ileak (generally referred to as subthreshold leakage current). The subthreshold leakage current Ileak is generally approximated by the following equation.
Ileak'exp (-Vt (S / In10)) (3)
Here, in Equation (3), Vt is a threshold voltage of the MOSFET, and S is one of the numerical values indicating the MOSFET characteristics called a subthreshold coefficient. Specifically, the gate-source voltage of the MOSFET is a threshold. It is a value representing current-voltage characteristics in a region below the value voltage Vt. Generally, in a submicron MOSFET, the value is about 80 to 90 mV / decade.
[0009]
As apparent from the equation (3), it is shown that when the threshold voltage Vt is set low, the subthreshold leakage current Ileak increases exponentially. For example, when the threshold voltage of a MOSFET constituting an IC having a CMOS logic gate circuit is lowered by 0.3 V, the subthreshold leakage current Ileak in the standby mode of the IC increases by 3 to 4 digits. It becomes.
[0010]
As described above, the subthreshold leakage current Ileak and the gate delay time tpd when the threshold voltage Vt is changed are in a trade-off relationship. In general, in an IC having a CMOS logic gate circuit, a threshold value Vt is set so that a necessary gate delay time tpd can be obtained while satisfying standby power consumption permitted by a product specification or the like. Yes. However, it has become extremely difficult to satisfy both the satisfactory subthreshold leakage current Ileak and the gate delay time tpd in response to the recent demand for lowering the power supply voltage Vdd.
[0011]
In the CMOS technology, there is a technology disclosed in the following document as a technology capable of reducing standby power consumption without deteriorating operation speed characteristics (for example, gate delay time tpd).
Reference: “1-V Power Supply High-Speed Digital Circuit Technology with Multithreshold-Voltage CMOS.” IEEE Journal of Solid-State Circuits 30 [8], pp. 847-854, 1995
[0012]
The technique disclosed in the above document is called Multi-Threshold Voltage CMOS (hereinafter referred to as MTCMOS) technique. The MTCMOS technology disclosed in the above document will be briefly described below.
[0013]
In an IC using the MTCMOS technology, a power supply voltage is supplied to a logic gate circuit from a high potential side pseudo power supply voltage line and a low potential side pseudo power supply voltage line. The logic gate circuit is composed of a P-channel MOSFET and an N-channel MOSFET having a low threshold voltage. The high potential side pseudo power supply voltage line is supplied with the high potential side power supply voltage via a switch composed of a P channel MOSFET having a threshold voltage higher than that of the P channel MOSFET constituting the logic gate circuit. The The low-potential-side power supply voltage line is supplied with the low-potential-side power supply voltage via a switch made of an N-channel MOSFET having a threshold voltage higher than that of the N-channel MOSFET constituting the logic gate circuit. The
[0014]
When the N-channel MOSFET and the switch comprising the N-channel MOSFET constituting the IC are viewed as a four-terminal element having drain, source, gate, and substrate terminals, the substrate terminal of these N-channel MOSFETs is P The low-potential side power supply voltage is supplied through the well layer or the P-type semiconductor substrate (when the P-type semiconductor substrate is used). Further, when the switch comprising the P-channel MOSFET and the P-channel MOSFET constituting the IC is viewed as a four-terminal element having drain, source, gate, and substrate terminals, the substrate terminals of these P-channel MOSFETs Is supplied with a high-potential-side power supply voltage via an N well layer or an N type semiconductor substrate (when an N type semiconductor substrate is used).
[0015]
The IC using the MTCMOS technology configured as described above makes the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET serving as the switches conductive in the operation mode. For this reason, the high potential side pseudo power supply voltage line has a potential substantially equal to the high potential side power supply voltage due to the high potential side power supply voltage supplied via the P-channel MOSFET as a switch. Similarly, the low-potential-side pseudo power supply voltage line becomes substantially equal to the low-potential-side power supply voltage due to the low-potential-side power supply voltage supplied via the N-channel MOSFET as a switch. For this reason, since the high potential side power supply voltage and the low potential side power supply voltage are respectively supplied to the logic gate circuit, the logic gate circuit can perform a desired logic operation.
[0016]
Here, since the threshold voltages of the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET constituting the logic gate circuit are lowered, when the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET having a high threshold voltage are used, In comparison, it is possible to operate with the power supply voltage Vdd being lowered without increasing the gate delay time tpd. That is, it is possible to reduce the power consumption in the operation mode while maintaining the same speed performance as when the high threshold voltage N-channel MOSFET and P-channel MOSFET are used for the logic gate circuit.
[0017]
In the standby mode, the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET as the switches described above are brought into a non-conductive state. For this reason, the subthreshold leakage current Ileak flowing from the high potential side pseudo power supply voltage to the low potential side power supply voltage is a subthreshold current characteristic in the non-conduction state of the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET constituting the above-described switch. It will be decided. As described above, since the threshold voltage of the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET constituting the switch is increased, the subthreshold leakage current Ileak can be reduced. That is, the subthreshold leakage current Ileak should be equal to that when the logic gate circuit is configured with a high threshold voltage MOSFET, although the logic gate circuit is configured with a low threshold voltage MOSFET. it can.
[0018]
As described above, in an IC using the MTCMOS technology, the power supply voltage Vdd is reduced to reduce the power consumption in the operation mode, and the delay performance is maintained without increasing the gate delay time tpd of the logic gate circuit. In addition, standby power consumption due to the subthreshold leakage current in the standby mode can be reduced.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, although an IC using MTCMOS technology can provide excellent characteristics, there is a problem of concern during the test. This is in particular that the IDDQ test introduced at the time of mass-production shipment testing of products in recent years cannot be applied in order to improve the defect detection rate of large-scale logic ICs.
[0020]
The IDDQ test is a logic gate circuit configured using a MOSFET having a high threshold voltage. In a non-defective product, the power source current (high potential) is set when the MOSFET constituting the logic gate circuit is not switching. IDD (current flowing from the low-side power supply voltage to the low-potential side power supply voltage) has a characteristic that only a very small leakage current (for example, several nA to several tens μA in the whole IC) determined by the subthreshold leakage current of each MOSFET flows. It is used.
[0021]
That is, the current value of the power supply current IDD is measured in a stable state in several patterns in which the output voltage of each logic gate circuit in the IC is set to a high voltage level or a low voltage level. If the measured current value of the power supply current IDD is sufficiently larger than the predicted current value of the leakage current, some abnormality (such as a short circuit between wires or a broken wire) occurs within the IC. It can be judged that That is, by measuring the power supply current IDD in the standby mode, a physical defect inside the IC can be detected.
[0022]
Sub-threshold current when thresholds of N-channel MOSFET and P-channel MOSFET are set to 0.5 V and -0.5 V, respectively, in an IC based on CMOS technology in which 100,000 gates are integrated in a general 0.25 μm class The power supply current IDD is about 100 nA to 10 μA. On the other hand, the short-circuit current that flows when there is an abnormality inside the IC, for example, when there is a short circuit between wirings, is as large as about 100 μA to 10 mA. Since this short current is superimposed on the power supply current IDD, it is possible to easily detect whether or not an abnormality has occurred in the IC by measuring the current value of the power supply current IDD.
[0023]
Compared to conventional logical function tests and function tests that check the logic output value of an IC against the input of a logical test pattern string, the IDDQ test has a higher defect detection rate when detecting defects inside the IC. The time can be shortened and the test cost can be reduced. In particular, the effect of using the IDDQ test is tremendous in consideration of a significant increase in the integration scale of logic gate circuits in an IC accompanying the miniaturization of the IC manufacturing process.
[0024]
Here, the reason why the above IDDQ test cannot be applied to an IC using MTCMOS technology will be described.
[0025]
In the operation mode, the P-channel type MOSFET and the N-channel type MOSFET as switches are made conductive, and the high-potential side power supply voltage and the low-potential side power supply voltage are respectively applied to the high potential side pseudo power supply voltage line and the low potential side pseudo power supply voltage line Supply. For this reason, since the logic gate circuit in the IC is in a state in which logic operation is possible, the output voltage of each logic gate circuit can be set to a high voltage level or a low voltage level. However, since the logic gate circuit of the IC using the MTCMOS technology is configured using a MOSFET having a low threshold voltage, the subthreshold leakage current in each MOSFET becomes large. For this reason, even when the logic operation is not performed, the power supply current IDD in the entire IC becomes considerably large.
[0026]
For example, in an IC based on a CMOS technology in which 100,000 gates are integrated in a general 0.25 μm class, the threshold value of an N channel MOSFET and a P channel MOSFET is set to 0.2 V and −0.2 V, respectively. The power source current IDD due to the threshold current is about 100 μA to 10 mA. For this reason, even if some logic gate circuits have defects such as a short circuit between wirings, the short leakage current due to this is about 100 μA to 10 mA, and even if this short current is superimposed on the power supply current IDD, The short current is hidden behind the power supply current due to the subthreshold leakage current. For this reason, it is extremely difficult or impossible to detect a defect by measuring the power supply current IDD.
[0027]
In the standby mode, the P-channel MOSFET and the N-channel MOSFET serving as switches are brought into a non-conducting state. For this reason, since the high-potential-side power supply voltage and the low-potential-side power supply voltage are not supplied to the logic gate circuit in the IC, even if the logic gate circuit is defective, it cannot be detected from the power supply current IDD.
[0028]
As described above, for the IC using the MTCMOS technology, in the operation mode, the power supply current IDD based on the subthreshold leakage current is configured using a MOSFET having a general high threshold voltage. Compared with an IC having a logic gate circuit, it becomes larger and it becomes difficult or impossible to detect a defect in the logic gate circuit. In the standby mode, a failure of the logic gate circuit cannot be detected from the power supply current IDD.
[0029]
As described above, the IDDQ test cannot be applied to an IC using MTCMOS technology, particularly an IC having a large integration scale of logic gate circuits. As a result, it becomes necessary to add a huge amount of function tests in order to reduce the defect detection rate at the time of mass production and shipment test of the product or increase the defect detection rate, resulting in an increase in test time and test cost. It will be.
[0030]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit capable of improving a defect detection rate.
[0031]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit capable of realizing the above object by minimizing an increase in the chip size of the semiconductor integrated circuit.
[0032]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit testing method capable of improving the defect detection rate without increasing test time and test cost.
[0033]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a first power supply line to which a first power supply voltage is supplied, a gate electrode, first and second electrodes, and the first electrode Is connected to the first power supply line and has a first conductivity type first MOS transistor having a first threshold value and a second MOS transistor connected to the second electrode of the first MOS transistor. One pseudo power supply line and at least one second conductivity type second MOS transistor having a second threshold lower than the first threshold, and the first pseudo power supply line Is supplied with one power supply voltage, an internal logic circuit to which a clock signal is input, a first terminal capable of receiving a test signal, and a logic level of the test signal received at the first terminal. At a predetermined logic level indicating a test, the second A voltage supply circuit for supplying a voltage for increasing a threshold value of the second MOS transistor to a substrate terminal of the OS transistor, and the logic level of the test signal is a predetermined logic level for instructing a test. In this case, the input of the clock signal to the internal logic circuit is prohibited.
[0034]
The semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a first power supply line to which a first power supply voltage is supplied, and a second power supply line to which a second power supply voltage different from the first power supply voltage is supplied. , Having a first threshold value, and having a first threshold value, wherein the first electrode is connected to the first power supply line. A second conductivity type third transistor having a third threshold voltage and having a transistor, a gate electrode, first and second electrodes, and the first electrode connected to the second power supply line; A first pseudo power supply line connected to the second electrode of the first MOS transistor, and the second electrode of the third MOS transistor to the internal logic circuit. A second pseudo power supply line for supplying the other power supply voltage, and a second signal lower than the first threshold value. At least one first conductivity type second MOS transistor having a large value and at least one second conductivity type fourth MOS transistor having a fourth threshold value lower than the third threshold value. An internal logic circuit to which a clock signal is input, wherein one power supply voltage is supplied from the first pseudo power supply line and the other power supply voltage is supplied from the second pseudo power supply line. A first terminal capable of receiving a test signal, and a substrate terminal of the second MOS transistor when the logic level of the test signal received at the first terminal is a predetermined logic level for instructing a test. Is supplied with a first predetermined voltage for raising the threshold voltage of the second MOS transistor, and the fourth MOS transistor is connected to the substrate terminal of the fourth MOS transistor. And a voltage supply circuit for supplying a second predetermined voltage for increasing the threshold value of the data, and when the logic level of the test signal is a predetermined logic level for instructing a test, to the internal logic circuit The input of the clock signal is prohibited.
[0035]
In the semiconductor integrated circuit of the present invention, the second terminal and the fourth terminal may be electrically connected by wire bonding connection.
[0036]
In the semiconductor integrated circuit of the present invention, the first terminal and the third terminal may be electrically connected by wire bonding connection.
[0037]
The semiconductor integrated circuit of the present invention has a third terminal connected to the first power supply line and a fourth terminal connected to the second power supply line, and the semiconductor integrated circuit is made of resin. In the sealed state, the first terminal and the third terminal may be connected by wire bonding, and the second terminal and the fourth terminal may be connected by wire bonding.
[0038]
In the semiconductor integrated circuit test method of the present invention, the first power supply voltage is supplied to the first power supply line, the first MOS transistor is turned on, and the first terminal is used. After a voltage for increasing the threshold value of the second MOS transistor is supplied to the substrate terminal of the second MOS transistor, the current value flowing through the internal logic circuit is measured.
[0039]
In the semiconductor integrated circuit testing method of the present invention, the first power supply voltage is supplied to the first power supply line, and the second power supply voltage is supplied to the second power supply line. And a voltage for increasing the threshold value of the second MOS transistor, using the first terminal, with the third MOS transistor in a conductive state, to the substrate terminal of the second MOS transistor. The second terminal is used to supply a voltage for increasing the threshold value of the fourth MOS transistor to the substrate terminal of the fourth MOS transistor, and then the value of the current flowing through the internal logic circuit is determined. Measure.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A semiconductor integrated circuit and a test method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing the main part of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an IC to which an MTCMOS technology using two types of MOSFETs having different threshold voltages in a P-channel MOSFET (hereinafter referred to as PMOS) and an N-channel MOSFET (hereinafter referred to as NMOS) is applied. is there. In the following description, unless otherwise specified, the threshold voltage Vt of a MOSFET is a value when the substrate-source voltage Vbs of the MOSFET is 0V. In addition, the IC in each embodiment is formed on a silicon substrate.
[0041]
1 includes a high potential side power supply line (hereinafter referred to as VDD line) 101 supplied with a high potential side power supply voltage, and a low potential side power supply line (hereinafter referred to as VSS line) supplied with a low potential side power supply voltage. 102), a high potential side pseudo power supply line (hereinafter referred to as VDDV line) 103, and a low potential side pseudo power supply line (hereinafter referred to as VSSV line) 104. Further, as shown in FIG. 1, one electrode is connected to the
[0042]
Here, the
[0043]
A control signal SL is input to the gate electrode of the
[0044]
FIG. 1 shows a CMOS logic gate circuit (hereinafter referred to as a logic gate circuit) 105 connected to the
[0045]
The
[0046]
Wiring of input signals to the gate electrodes of PMOS and NMOS constituting the
[0047]
The
[0048]
Here, as described above, the
[0049]
[0050]
Here, when each of the
[0051]
Similarly, when the
[0052]
The
[0053]
The
[0054]
As described above, in the IC shown in FIG. 1, the PMOS substrate terminal constituting the IC is disconnected from the
[0055]
In the logical function test or function test at the time of mass-production shipping test of the product, and in actual use after the shipping test, the high-potential side power supply voltage VDD is applied to the
[0056]
That is, in the operation mode, the
[0057]
Further, since the high potential side power supply voltage VDD is supplied to the substrate terminals of the
[0058]
Here, since the
[0059]
In the standby mode, the
[0060]
Next, the operation when the IDDQ test is performed on the IC of FIG. 1 during the mass production shipment test of the product will be described below.
[0061]
When the IDDQ test is performed, a voltage higher than the high potential side power supply voltage VDD, for example, a voltage of VDD + 1.0 V is applied to the
[0062]
Here, the change in the electrical characteristics of the PMOS and NMOS when the substrate voltage as described above is applied will be described. FIG. 2 shows the substrate-source voltage at the threshold voltage Vt of the submicron class MOSFET. It is a figure which shows the general characteristic depending on Vbs. FIG. 2A shows an example of a PMOS, and FIG. 2B shows an example of an NMOS.
[0063]
As shown in FIG. 2, it can be seen that the threshold voltage Vt of the MOSFET generally varies depending on the substrate-source voltage Vbs. This is an electrical characteristic of the MOSFET known as the substrate bias effect. As shown in FIG. 2A, in the case of a PMOS, when Vbs = 0V, the substrate terminal is in two PMOSs whose threshold voltages Vt are set to −0.5V and −0.2V, respectively. By setting the substrate voltage, which is a voltage applied to, to VDD + 1.0V, that is, Vbs = 1.0V, the threshold voltages become Vt of about −0.8V and −0.5V, respectively. That is, the threshold voltage increases in the negative direction.
[0064]
Similarly, as shown in FIG. 2B, in the case of NMOS, when Vbs = 0V, two NMOSs whose threshold voltages Vt are set to 0.5V and 0.2V, respectively, are substrates. By setting the substrate voltage, which is a voltage applied to the terminal, to VDD-2.0V, that is, Vbs = -2.0V, the threshold voltages become Vt of about 0.8V and 0.5V, respectively. That is, the threshold voltage increases in the positive direction.
[0065]
As described above, in FIG. 1, the threshold voltages Vt of the
[0066]
With this setting, for example, assuming an IC in which 100,000 gates are integrated in the 0.25 μm class, the voltage level of the control signal SL is set to the low potential side power supply voltage VSS level, and both the
[0067]
That is, with the voltage applied from the
[0068]
As described above, in the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment, a substrate voltage for each PMOS and each NMOS constituting the
[0069]
In addition, according to the present embodiment, it is not necessary to add a huge function test in order to improve the defect detection rate, so that an increase in test time and an increase in test cost can be greatly reduced. Furthermore, according to the present embodiment, in order to obtain the above effect, the
[0070]
Next, a second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a circuit diagram showing the main part of the semiconductor integrated circuit according to the second embodiment. In FIG. 3, the same components as those in FIG. Further, in the description of the configuration of FIG. 3, only portions different from those in FIG. 1 will be described.
[0071]
In FIG. 3, the substrate terminal of the
[0072]
In the logical function test or function test at the time of mass-production shipping test of the product, and in actual use after the shipping test, the high-potential side power supply voltage VDD is applied to the
[0073]
Next, the operation when the IDDQ test in the IC of FIG. 3 is performed in the mass production shipment test of the product will be described below.
[0074]
During the IDDQ test, for example, a voltage of VDD + 1.0 V is applied to the
[0075]
Further, for example, a voltage of VSS−2.0 V is applied to the
[0076]
Therefore, in the second embodiment, as in the first embodiment, the threshold voltage of each PMOS and each NMOS constituting the
[0077]
In the second embodiment, the following effects are further obtained.
[0078]
In the first embodiment, during the IDDQ test, a substrate voltage of VDD + 1.0V is applied from the
Id∝ (Vgs−Vt) 2 (5)
[0079]
Here, Vgs of the
Id∝ (VDD−Vt) 2 (6)
[0080]
As can be seen from the equation (6), when the threshold voltage Vt increases, the drain current Id decreases, in other words, the on-resistance increases. Therefore, during the IDDQ test, when the
[0081]
In the second embodiment, the substrate terminal of the
[0082]
Here, the structure of the IC in the first embodiment and the second embodiment will be described. FIG. 4 is a principal part sectional view showing the structure of the IC in the first embodiment, and FIG. 5 is a principal part sectional view showing the structure of the IC in the second embodiment. 4 and 5, the
[0083]
In FIG. 4, an
[0084]
In the
[0085]
The N well layer 203 is connected to the
[0086]
The
[0087]
In FIG. 4, an
[0088]
In FIG. 4, the P-type silicon substrate has been described, but the same applies to the N-type silicon substrate. In this case, the P-
[0089]
FIG. 5A is a diagram in which the IC of the second embodiment is configured using a P-type silicon substrate. In FIG. 5A, three N well layers 302, 303, and 304 and a
[0090]
A P well
[0091]
Further, the
[0092]
The N well layer 302 and the
[0093]
The
[0094]
In FIG. 5A, the N well layer 304 is provided to prevent the
[0095]
The N well layers 302 and 303 and the P well layers 305 and 306 correspond to the substrate terminals in the PMOS and NMOS formed in the respective well layers. Therefore, a voltage different from the substrate terminal of each MOSFET of the
[0096]
FIG. 5B is a diagram in which the IC of the second embodiment is configured using an N-type silicon substrate. In FIG. 5B, three P well layers 404, 405, 406 and an
[0097]
In the
[0098]
Further, the
[0099]
The N well layer 402 and the
[0100]
The
[0101]
In FIG. 5B, the
[0102]
The N well layers 402 and 403 and the P well layers 405 and 406 correspond to substrate terminals in the PMOS and NMOS formed in the respective well layers. Therefore, a voltage different from the substrate terminal of each MOSFET of the
[0103]
Next, a third embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a circuit diagram showing the main part of the semiconductor integrated circuit according to the third embodiment. In FIG. 6, the same components as those in FIG. Further, in the description of the configuration of FIG. 6, only portions different from those in FIG. 1 will be described.
[0104]
In FIG. 6, a
[0105]
Before the
[0106]
After a mass production shipment test of a product such as an IDDQ test, the
[0107]
Therefore, according to the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and an increase in the number of IC terminals can be prevented, so that the ease of use as an IC product is impaired. In addition, there is no increase in package material costs. Further, the features of the third embodiment can be applied to the IC of the second embodiment.
[0108]
Next, a fourth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a circuit diagram showing the main part of the semiconductor integrated circuit according to the fourth embodiment. In FIG. 7, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Further, in the description of the configuration of FIG. 7, only portions different from those in FIG. 1 will be described.
[0109]
7, a
[0110]
A signal input to the
[0111]
That is, when a test signal having a voltage of the high potential side power supply voltage VDD level is input from the
[0112]
When a test signal having a voltage of the low potential side power supply voltage VSS level is input from the
[0113]
Here, the configuration of the
[0114]
As shown in FIG. 8, the
[0115]
The other electrode of the
[0116]
The other electrode of the
[0117]
When the
[0118]
When a test signal whose voltage level is the high potential side power supply voltage VDD level is input from the
[0119]
As described above, according to the fourth embodiment, the effect of the first embodiment can be obtained, and a signal having a voltage level of the high potential side power supply voltage VDD level or the low potential side power supply voltage VSS level is padded. By inputting from 205, the substrate voltage of each MOSFET constituting the
[0120]
Further, when the IC of FIG. 7 is resin-sealed, if an external lead corresponding to the
[0121]
If the
[0122]
As described above, in the first, second, third, and fourth embodiments, the
[0123]
For example, FIGS. 9 and 10 show modifications of the IC according to the second embodiment. In the IC of FIG. 9, the
[0124]
Similarly, in the IC of FIG. 10, the
[0125]
The configuration in which
[0126]
As mentioned above, although each embodiment was described in detail, this invention is not limited to said structure.
[0127]
For example, the circuit configuration of the
[0128]
As described above, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0129]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a semiconductor integrated circuit capable of improving the defect detection rate can be provided.
[0130]
Further, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor integrated circuit capable of reducing the increase in chip size of the semiconductor integrated circuit as much as possible and improving the defect detection rate.
[0131]
Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a test method for a semiconductor integrated circuit capable of improving the defect detection rate without increasing the test time and test cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a main part of a semiconductor integrated circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing general characteristics depending on a substrate-source voltage Vbs at a threshold voltage Vt of a MOSFET.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a main part of a semiconductor integrated circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view showing the structure of the semiconductor integrated circuit according to the first embodiment;
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view showing a structure of a semiconductor integrated circuit according to a second embodiment;
FIG. 6 is a circuit diagram showing a main part of a semiconductor integrated circuit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a main part of a semiconductor integrated circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
8 is a circuit diagram of the voltage generation circuit in FIG. 7. FIG.
FIG. 9 is a modification of the semiconductor integrated circuit according to the second embodiment.
FIG. 10 is a modification of the semiconductor integrated circuit according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
101 High-potential side power supply voltage line
102 Low-potential side power supply voltage line
103 High-potential side pseudo power supply voltage line
104 Low potential side pseudo power supply voltage line
105 logic gate circuit
106 High-potential side substrate power line
107 Low-potential side substrate power line
111 High-potential power switch
121 Low-potential power switch
151, 152 capacity
161, 162, 163, 164, 165, 166, 205 pads
131, 132, 133 P-channel MOSFET
141, 142, 143 N-channel MOSFET
201 Voltage generation circuit
203 N-channel MOSFET
207 P-channel MOSFET
Claims (10)
第1の電源電圧が供給される第1の電源線と、
ゲート電極、第1及び第2の電極を有し、該第1の電極が、前記第1の電源線に接続された、第1のしきい値を有する第1導電型の第1のMOSトランジスタと、
前記第1のMOSトランジスタの前記第2の電極に接続された第1の疑似電源線と、
前記第1のしきい値より低い第2のしきい値を有する少なくとも1つの第1導電型の第2のMOSトランジスタを含んで構成され、前記第1の疑似電源線から前記第1の電源電圧に基づく電圧が供給されるもので、クロック信号が入力される内部論理回路と、
テスト信号を受信可能な第1の端子と、
前記第1のMOSトランジスタが導通状態において、前記第1の端子にテストを指示する所定の論理レベルの前記テスト信号が入力されたことに応じて、前記第2のMOSトランジスタのサブストレート端子に、該第2のMOSトランジスタのしきい値を高くする電圧を供給する電圧供給回路と、
を有し、前記テスト信号の前記所定の論理レベルに応じて、前記内部論理回路への前記クロック信号の入力が禁止されることを特徴とする半導体集積回路。In a semiconductor integrated circuit configured by integrating a plurality of first conductivity type MOS transistors and a plurality of second conductivity type MOS transistors,
A first power supply line to which a first power supply voltage is supplied;
A first conductivity type first MOS transistor having a first threshold value, having a gate electrode, first and second electrodes, and the first electrode connected to the first power supply line When,
A first pseudo power supply line connected to the second electrode of the first MOS transistor;
A first MOS transistor having at least one first conductivity type second MOS transistor having a second threshold value lower than the first threshold value, and the first power supply voltage from the first pseudo power supply line; in which a voltage based on the supplied, and an internal logic circuit to which a clock signal is input,
A first terminal capable of receiving a test signal;
In the first MOS transistor is conductive, in response to the test signal of a predetermined logic level to indicate the test to the first terminal is input, the substrate terminal of the second MOS transistor A voltage supply circuit for supplying a voltage for increasing the threshold value of the second MOS transistor;
The a, according to the predetermined logic level of the test signal, the semiconductor integrated circuit, characterized in that the input of the clock signal to the internal logic circuit is disabled.
第1の電源電圧が供給される第1の電源線と、
前記第1の電源電圧とは異なる第2の電源電圧が供給される第2の電源線と、
ゲート電極、第1及び第2の電極を有し、該第1の電極が前記第1の電源線に接続された、第1のしきい値を有する第1導電型の第1のMOSトランジスタと、
ゲート電極、第1及び第2の電極を有し、該第1の電極が前記第2の電源線に接続された、第3のしきい値電圧を有する第2導電型の第3のMOSトランジスタと、
前記第1のMOSトランジスタの前記第2の電極に接続された第1の疑似電源線と、
前記第3のMOSトランジスタの前記第2の電極に接続された第2の疑似電源線と、
前記第1のしきい値より低い第2のしきい値を有する少なくとも1つの第1導電型の第2のMOSトランジスタと前記第3のしきい値より低い第4のしきい値を有する少なくとも1つの第2導電型の第4のMOSトランジスタとを含んで構成され、前記第1の疑似電源線から前記第1の電源電圧に基づく一方の電源電圧が供給され、前記第2の疑似電源線から前記第2の電源電圧に基づく他方の電源電圧が供給されるもので、クロック信号が入力される内部論理回路と、
テスト信号を受信可能な第1の端子と、
前記第1及び第3のMOSトランジスタが導通状態において、前記第1の端子にテストを指示する所定の論理レベルの前記テスト信号が入力されたことに応じて、前記第2のMOSトランジスタのサブストレート端子に該第2のMOSトランジスタのしきい値を高くする第1の所定の電圧を供給するとともに、前記第4のMOSトランジスタのサブストレート端子に該第4のMOSトランジスタのしきい値を高くする第2の所定の電圧を供給する電圧供給回路と、
を有し、前記テスト信号の前記所定の論理レベルに応じて、前記内部論理回路への前記クロック信号の入力が禁止されることを特徴とする半導体集積回路。In a semiconductor integrated circuit configured by integrating a plurality of first conductivity type MOS transistors and a plurality of second conductivity type MOS transistors,
A first power supply line to which a first power supply voltage is supplied;
A second power supply line to which a second power supply voltage different from the first power supply voltage is supplied;
A first MOS transistor of a first conductivity type having a gate electrode, a first electrode and a second electrode, the first electrode being connected to the first power supply line and having a first threshold value; ,
A second MOS transistor of the second conductivity type having a third threshold voltage, having a gate electrode, first and second electrodes, the first electrode being connected to the second power supply line When,
A first pseudo power supply line connected to the second electrode of the first MOS transistor;
A second pseudo power supply line connected to the second electrode of the third MOS transistor;
At least one second MOS transistor of the first conductivity type having a second threshold lower than the first threshold and at least one having a fourth threshold lower than the third threshold. One second power supply voltage based on the first power supply voltage is supplied from the first pseudo power supply line, and is supplied from the second pseudo power supply line. An internal logic circuit to which the other power supply voltage based on the second power supply voltage is supplied and to which a clock signal is input;
A first terminal capable of receiving a test signal;
The substrate of the second MOS transistor in response to the test signal having a predetermined logic level instructing the test being input to the first terminal while the first and third MOS transistors are in the conductive state. A first predetermined voltage for increasing the threshold value of the second MOS transistor is supplied to the terminal, and the threshold value of the fourth MOS transistor is increased to the substrate terminal of the fourth MOS transistor. A voltage supply circuit for supplying a second predetermined voltage;
A semiconductor integrated circuit, wherein input of the clock signal to the internal logic circuit is prohibited in accordance with the predetermined logic level of the test signal.
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