JP3778194B2

JP3778194B2 - 半導体装置の故障検出方法および故障検出装置

Info

Publication number: JP3778194B2
Application number: JP2003335261A
Authority: JP
Inventors: 潤一平瀬; 智之佐々木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005098925A

Description

本発明は、半導体装置に関し、半導体装置の故障検出及び評価を効率よく行える故障検出方法及びその装置に関わる。

近年、半導体集積回路には、微細化に伴う低電圧化、低消費電流化、高速化と共に大規模化、高集積化、多機能・複合機能化などの技術変化が急激に起こっている。それと共に、半導体大規模集積回路のテストはますます重要となる一方で、テスト開発を一層難しくしている。

従来の半導体故障検出手法として、半導体集積回路内の開放故障、短絡故障や縮退故障に効果的であるとする静止電源電流測定（以下、ＩＤＤＱ測定と記す）を用いるものがあった。

図６は従来の故障検出手法のＩＤＤＱ測定の手順を示すフロー図である。図６において、半導体集積回路動作条件設定１０１は、半導体集積回路が動作するための電源電圧、入力信号電圧レベル、周波数、入力信号ロジックパターン（ＩＤＤＱ測定用入力ロジックパターンは半導体集積回路の特定ノードのトグルを終了後、静止状態とする）の設定を示す、半導体集積回路動作スタート１０２は半導体集積回路動作条件設定１０１をもとに半導体集積回路の動作をスタートさせる。半導体集積回路動作ストップ１０３は半導体集積回路動作条件設定１０１をもとに半導体集積回路動作をストップさせる。半導体集積回路動作ストップ１０３は半導体集積回路の特定ノードのトグル終了を意味し、トグル終了ノードは任意に設定できる。

また、この時、トグルが終了しても電源は切らない。電源電流測定待ち時間１０４は半導体集積回路動作終了後、半導体集積回路の電源電流変化の終了を待つ時間を示している。電源電流測定１０５は半導体集積回路の電源電流測定を示す。

従来のＩＤＤＱ測定は、半導体集積回路の動作条件設定１０１の後、半導体集積回路動作スタート１０２し、その後、半導体集積回路動作ストップ１０３し、その後、電源電流測定待ち時間１０４を待ち、その後、電源電流測定１０５をするものであった。

なお、半導体集積回路動作ストップ１０３するポイントを変更し、複数のＩＤＤＱ測定を測定することもある。

以上、図６に示した従来のＩＤＤＱ測定手順は半導体集積回路中の論理ＬＳＩのダイナミック電流、すなわちトランジスタのスイッチング時に発生する電源電流変化の期間が終了した後の半導体集積回路の静止状態での微少な電流を測定する、また、ＩＤＤＱ測定により得られた電流の大小から故障があるか無いかを判定するものであった（例えば、特許文献１〜３参照）。

従来の検出故障方法に関連した下記に示すような種々の手法が考え出されている。

１、ＤｅｌｔａＩＤＤＱ法：ＩＤＤＱを多点測定した場合、絶対値の分散σより差分の分散が小さいことを利用して、隣接良品ダイのＩＤＤＱ値との差分を取る方法。

２、ＣｕｒｒｅｎｔＲａｔｉｏ法：ＩＤＤＱの標準分布を求め、例えば平均値＋３σ、あるいは平均値＋６σ以上の測定値のあるダイを不良とする方法。

３、ＤＥＣＯＵＰＬＥ法：良品ダイすべてについて、回帰分析を行い、寄与率を求め、この寄与率がある値（例えば、０.９５）以下のものを不良とする方法。
特開２０００−２３０９６２号公報特開２０００−２４１４９２号公報特開２００１−１３２００号公報

しかし、半導体集積回路の高集積化、微細化に伴い、ＩＤＤＱ値を最悪値にする動作条件設定１０１が複雑化し、その条件設定を実施する時間が増大し、ダイナミック電流の期間が終了するまで電源電流測定待ち時間１０４が増大し、電源電流測定１０５の測定値が微少値であるため、微少電流を測定するため、測定に時間がかかり過ぎるなどの問題点があった。

また、リモコンや携帯電話に代表される最終製品が携帯用機器に組み込まれるＳｏＣ（ＳｙｓｔｅｍｏｎＣｈｉｐ）では、ＩＤＤＱの絶対値そのものが性能指標となる。動作電源電流ＩＤＤもさることながら、待ち時間、スタンバイ状態の電流が小さければ小さいほど、乾電池やバッテリーの寿命を長くする。このようなデバイスについては、ＩＤＤＱを正確（ＳｏＣ内部がＩＤＤＱ値を最悪にする状態で測定されることと、値そのものが精度良く測定できること）に短時間で測定することが課題となっている。

本発明は、前記従来の問題点を解決するために半導体集積回路の新たなＩＤＤＱ測定方法、故障検出方法、故障検出装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置の新たなＩＤＤＱ測定方法は同一電源電圧条件下で、半導体装置内のほぼすべてのノードがトグルする状態で半導体装置の動作周波数Ｆをｆ、ｆ／Ｌ、ｆ／Ｍ、ｆ／Ｎ、・・・とし（Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏは整数）、同時に、前記半導体装置に入力するすべての入力信号もｆｉｎ、ｆｉｎ／Ｌ、ｆｉｎ／Ｍ、ｆｉｎ／Ｎ、・・・とし、各周波数の動作電源電流を、前記半導体装置を動作させた後、同一時間待ったのちに測定を行なう。前記条件で各周波数毎に測定した電源電流値を、周波数を変数とした近似線を作成する。前記近似線より、周波数が０の場合の静止電源電流値（ＩＤＤＱ値）を外挿して求める、その電源電流値を新たなＩＤＤＱ値とするものである。なお、周波数が０の場合の電源電流値は外挿の近似式により計算をして求めることもできる。

本構成によって、従来のＩＤＤＱ測定に比べ、短時間で半導体装置の新たなＩＤＤＱを求めることができる。

また、この構成によって求めた新たなＩＤＤＱ値を用いて半導体装置の故障判定をすることが可能となる。

また、本発明の半導体装置の故障検出装置は半導体装置の電源電流測定において、電源電圧を同一とし、動作周波数Ｆをｆ、ｆ／Ｌ、ｆ／Ｍ、ｆ／Ｎ、・・・とする手段と、前記半導体装置の動作周波数に同期して半導体装置への入力信号も同時にｆｉｎ、ｆｉｎ／Ｌ、ｆｉｎ／Ｍ、ｆｉｎ／Ｎ、・・・とする手段と、各周波数下での電源電流測定において、動作スタートからの測定待ち時間を一定とし測定する手段と、測定した各周波数の電源電流を用いて周波数を関数とした近似線を求める手段と、前記近似線より周波数０の電源電流を外挿し、静止電源電流値を求める手段と、前記静止電源電流値により半導体装置の良否を判定する手段とを備えている。本構成により、半導体装置の新たなＩＤＤＱ値を測定することが可能となる。

従来のＩＤＤＱを測定する場合、半導体集積回路の内部ノードの充電・放電が納まるまでに非常に長い時間を要する。また、従来のＩＤＤＱ測定のテストパターンの１ポイントでＩＤＤＱを測定する時間に対し、動作電源電流は４から５回は測定できる、それ故に新たなＩＤＤＱ測定は、短い時間で測定可能となる。また、本発明の新たなＩＤＤＱ測定方法では、半導体集積回路が実際に使用される機器での電源電流との差異を極力なくす様に、半導体集積回路内部のほぼすべてのノードがトグルするようなパターンを走らせて測定する。それ故に、故障検出の確度の高い新たなＩＤＤＱ値が得られる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体集積回路の故障検出方法の新たなＩＤＤＱ測定の手順を示すフロー図である。

図１において、１０は半導体集積回路動作条件設定で、半導体集積回路が動作するための電源電圧、入力信号電圧レベル、動作周波数Ｆ、入力信号周波数ｆｉｎ、入力信号ロジックパターン（半導体集積回路内のほぼすべてのノードがトグルする動作の繰り返し）を設定する。１１は半導体集積回路動作スタートで、半導体集積回路動作条件設定１０の後、半導体集積回路の動作をスタートさせる。１２は測定待ち時間で、半導体集積回路動作スタート１１の後、一定時間を待つ。１３は電源電流測定で、測定待ち時間１２の後、半導体集積回路の電源電流測定をし、その値を記憶する。１４は半導体集積回路動作ストップで、電源電流測定１３の後、半導体集積回路の動作をストップさせる。１５は周波数変更判断で、半導体集積回路動作ストップ１４の後、動作周波数切り替えを判断し、切り替えが必要な場合１６に切り替え、不要な場合１７に移る。１６は周波数変更設定で周波数変更判断１５で周波数変更が必要な場合、半導体集積回路動作条件設定１０で設定した動作周波数Ｆをｆ／Ｌに変更するとともに入力信号の周波数ｆｉｎもｆｉｎ／Ｌに設定変更する。その後、半導体集積回路動作スタート１１に移る。以降、周波数は周波数変更設定１６に移る毎に動作周波数をｆ／Ｍ、同時に入力信号の周波数をｆｉｎ／Ｍ、その後、動作周波数をｆ／Ｎ、同時に入力信号の周波数ｆｉｎ／Ｎ、・・・に順次設定変更する（Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏは整数）。１７は近似線作成および近似関数当てはめで、各手順１１〜１６を繰り返す毎に電源電流測定１３で得られた電源電流値を基に動作周波数を変数とした近似線作成および近似関数当てはめを行なう。ここで、電源電流値の近似線は一般的に次式であらわす。

ＩＤＤａ＝ａｆ＋ＩＤＤＸ
ここで、ＩＤＤａは電源電流値、ａ及びＩＤＤＸは定数、ｆは動作周波数であり、ａおよびＩＤＤＸが近似線により求められる。

図２は近似線作成および近似関数当てはめを行なった特性図で、本発明の実施形態１の図１の近似線作成当てはめ１７を実施した特性図を示す。２１、２２、２３、２４は電源電流値で、前記各手順１１から１６の手順で測定し、得られた電源電流値を各電源電流測定時の動作周波数を横軸にとり、プロットした。２５は近似線で、電源電流値２１、２２、２３、２４を近似的に結ぶ線、２６は新たなＩＤＤＱ値で近似線２５を延ばし、Ｙ軸と交わる点であり、すなわち周波数０の電源電流値である。

図３は、本発明の第１の実施形態によって求めた実際の新たなＩＤＤＱ値と、従来のＩＤＤＱ値の関係を示した特性図である。図３では、従来のＩＤＤＱ値と区別するため、新たなＩＤＤＱ値をＩＤＤＸと記述してある。本発明の第１の実施形態を適用した半導体集積回路は０.１８μｍルールプロセス品でチップ面積が３５.１４ｍｍ²、端子数２０９ピンの半導体集積回路で、その動作電流のＩＤＤ規格は、動作周波数２６ＭＨｚで動作させ、１.８０Ｖ印加で３２.５５ｍＡ以上を不良とする。電源電流を求めるまでの待ち時間は１０ｍｓである。ＩＤＤＱ測定は、１．９５Ｖ印加で１６μＡ以上を不良とする。ＩＤＤＱ測定は、ＩＤＤＱ用テストパターンの８ポイントで測定し、全体のトグル率は８９．０６％であり、ＩＤＤＱ値が安定するまでの待ち時間は５０ｍｓ取ってある。動作周波数は２６ＭＨｚの１／１、１／２、１／４を適用し、本発明の第１の実施形態により新たなＩＤＤＱ値を求めた。図３に示すように、従来のＩＤＤＱ値と新たなＩＤＤＱ値が良く一致している。従来のＩＤＤＱが１０μＡ程度の時、新たなＩＤＤＱ値（図中はＩＤＤＸ）が４０μＡから５０μＡ程度と大きく、バイアスがかかった値となっているが、従来のＩＤＤＱ値が１０００μＡ以上のところではまったく一致している。

以上の構成によれば、従来のＩＤＤＱ測定方法での電源電流変化期間の終了までの時間を待つことなく、短時間の待ち時間の後、電源電流測定をすることや、従来のＩＤＤＱ測定方法での測定値が１００μＡ以下であることに比べ、新たなＩＤＤＱ測定方法では１ｍＡ以上で、電流値が大きいことにより、短時間で測定が完了できる効果が得られる。

なお、新たなＩＤＤＱ値２６は、測定結果を基に作図で求めたが、測定値から近似計算で求めることも可能である。また、動作周波数の設定はここではｆ、ｆ／Ｌ、ｆ／Ｍ、ｆ／Ｎ、ｆ／Ｏ（Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏは整数）としたがその他の設定も可能である。

（実施形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態の故障検出手法の検出の手順を示すフロー図である。図４においては、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図４において、５０はＩＤＤＱ判定で、本発明の第１の実施形態で求めた新たなＩＤＤＱ値の基準電流値に対し、大きいか又は小さいかによって半導体集積回路の故障の有無を判定する。ＩＤＤＱ値の判定に使用する基準電流値は、半導体集積回路の設計段階で、シミュレーションで求めた値を使用することや実際の半導体集積回路を用い、本発明の第１の実施形態により新たなＩＤＤＱ値を複数個の半導体集積回路より求めた値の分布をとり、分布から外れるものを除外する値を用いることができる。

５１は不良処理で、ＩＤＤＱ判定５０で故障有りと判定した場合の不良処理をする、５２は良品処理で、ＩＤＤＱ判定５０で故障なしと判定した場合の良品処理をする。

図５は故障判定比較で、従来のＩＤＤＱ値の故障判定結果と、新たなＩＤＤＱ値の故障判定結果の比較であり、本発明の第２の実施形態を適用した結果を示す。ここの図５では従来のＩＤＤＱ値の判定は１５０μＡ以上を不良とし、新たなＩＤＤＱ値（図中では区別のためＩＤＤＸとした）は１５０μＡ以上の値を不良とした場合（図５（ｂ））と、従来のＩＤＤＱ値の判定は１６μＡ以上を不良とし、新たなＩＤＤＱ値（図中では区別のためＩＤＤＸとした）は７５μＡ以上の値を不良とした場合（図５（ａ））とを示している。発明を適用した半導体集積回路は本発明の第１の実施形態で示した図３と同一半導体集積回路のものである。

図５の故障判定比較に示すように故障判定電流値の小さい場合でも８０％以上、故障判定電流値が大きくなればほぼ１００％が新たなＩＤＤＱ値で故障判定することができることを示している。

以上の構成によれば、本発明の第１の実施形態で求められた新たなＩＤＤＱ値によって半導体集積回路の故障判定を行なうことが可能となる。

本発明のＩＤＤＱ測定を用いた半導体装置の故障検出手法及びその装置は、半導体装置が、微細化に伴う低電圧化、低消費電流化、高速化と共に大規模化、高集積化、多機能・複合機能化しても利用可能である。

本発明の実施の形態１における半導体集積回路の故障検出方法の新たなＩＤＤＱ測定の手順を示すフロー図本発明の近似線作成および近似関数当てはめを行なった特性図本発明のＩＤＤＱ測定値と従来のＩＤＤＱ測定値の関係を示した特性図本発明の第２の実施の形態の故障検出手法の検出の手順を示すフロー図本発明のＩＤＤＱ測定値と従来のＩＤＤＱ測定値の故障判定結果を比較した特性図従来の故障検出手法のＩＤＤＱ測定の手順を示すフロー図

符号の説明

１０半導体集積回路動作条件設定
１１半導体集積回路動作スタート
１２測定待ち時間
１３電源電流測定
１４半導体集積回路動作ストップ
１５周波数変更判断
１６周波数変更設定
１７近似線作成、近似関数当てはめ
２５近似線
２６新たなＩＤＤＱ値
５０ＩＤＤＱ判定
５１不良処理
５２良品処理

Claims

半導体装置の電源電流測定において、電源電圧を同一とし、動作周波数Ｆをｆ、ｆ／Ｌ、ｆ／Ｍ、ｆ／Ｎ、・・・とし（ｆは動作周波数、Ｌ、Ｍ、Ｎは整数）、同時に、前記半導体装置への入力信号の周波数も同時にｆｉｎ、ｆｉｎ／Ｌ、ｆｉｎ／Ｍ、ｆｉｎ／Ｎ、・・・（ｆｉｎは動作周波数）とし、各周波数下での電源電流測定において動作スタートからの測定待ち時間を一定で測定し、測定した各周波数の電源電流を用いて周波数を関数とした近似線を引き、前記近似線より周波数０の電源電流を外挿し、静止電源電流値（ＩＤＤＱ値）を求め、前記静止電源電流値により半導体装置の良否を判定することを特徴とする半導体装置の故障検出方法。
半導体装置の電源電流測定において、電源電圧を同一とし、動作周波数Ｆをｆ、ｆ／Ｌ、ｆ／Ｍ、ｆ／Ｎ、…とする手段と、前記半導体装置の動作周波数に同期して前記半導体装置への入力信号の周波数も同時にｆｉｎ、ｆｉｎ／Ｌ、ｆｉｎ／Ｍ、ｆｉｎ／Ｎ、・・・とする手段と、各周波数下での電源電流測定において動作スタートからの測定待ち時間を一定とし測定する手段と、測定した各周波数の電源電流を用いて周波数を関数とした近似線を求める手段と、前記近似線より周波数０の電源電流を外挿し、静止電源電流値を求める手段と、前記静止電源電流値により半導体装置の良否を判定する手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の故障検出装置。