DE10137697C2 - Testeinrichtung für eine integrierte Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Testeinrichtungen zum Prüfen des elektri­ schen Verhaltens ausgewählter Strukturen, die Teile einer auf ei­ nem Substrat integrierten Schaltungsanordnung darstellen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Testeinrichtungen dieser Gattung sind aus DE 199 51 541 C1 und aus DE 195 36 226 A1 bekannt.

Um das Betriebsverhalten einzelner Nutzschaltungen in einer inte­ grierten Schaltungsanordnungen zu prüfen, ist es üblich, geeignete Testsignale an die Eingänge der betreffenden Nutzschaltungen zu legen und die daraufhin an den Ausgängen der Nutzschaltungen er­ scheinenden Antwortsignale in einer jeweils zugeordneten Auswerte­ schaltung zu analysieren. Die Analyse erfolgt üblicherweise durch Vergleich des gefühlten Ist-Antwortsignals mit einem Soll-Antwort­ signal, das für die betreffende Nutzschaltung vorgegeben ist. Das Vergleichsergebnis zeigt somit die absolute Abweichung des tat­ sächlichen Verhaltens der betreffenden Nutzschaltung von ihrem Soll-Verhalten an.

Ein in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltenes Vergleichser­ gebnis ist global für die betreffende Nutzschaltung und erlaubt nur in seltenen Fällen genaue Rückschlüsse auf die eigentlichen Quellen einer festgestellten Abweichung. Eine Nutzschaltung be­ steht zumeist aus vielen Komponenten und kann auch mit Komponenten anderer Nutzschaltungen vernetzt sein. Eine Fehlfunktion einer Nutzschaltung kann daher rühren, daß irgendeine oder mehrere die­ ser Komponenten vom gewünschten Verhalten abweicht. Die genaue Quelle einer Fehlfunktion einer Nutzschaltung ließe sich also da­ durch herausfinden, daß man das elektrische Verhalten jeder betei­ ligten Komponente absolut für sich prüft. Ein entsprechendes Prüf­ verfahren zum Eingrenzen von Fehlerquellen ist langwierig oder er­ fordert umfangreiches Test-Equipment.

Die aus den eingangs erwähnten Veröffentlichungen DE 199 51 541 C1 und DE 195 36 226 A1 bekannten Testeinrichtungen sind dazu ausge­ legt, u. a. zur Verkürzung der Testzeit mehrere Schaltungsstruktu­ ren, die gleichartige oder gleiche Schaltkreise oder Blöcke als Nutzschaltungen in einer integrierten Schaltungsanordnung bilden, gleichzeitig zu prüfen, wobei die Prüfung zeigen soll, ob die ein­ zelnen Strukturen jeweils absolut für sich fehlerfrei funktionie­ ren. Ein dort durchgeführter Vergleich der Testsignalantworten soll lediglich verifizieren, ob oder inwieweit eine als fehlerfrei erkannte Testsignalantwort pauschal für alle beteiligten Test­ objekte gelten darf oder nicht. Zur Erkennung der Fehlerfreiheit sind in den bekannten Testeinrichtungen Maßnahmen getroffen für einen Vergleich zumindest einer der Testsignalantworten zusätzlich mit der erwünschten Soll-Antwort (bzw. Vergleichsvektor).

Der Zeit- oder Apparateaufwand für den Test integrierter Schal­ tungsanordnungen wird geringer, wenn man die Prüfung auf bestimmte Fehlerquellen konzentriert, die erwartungsgemäß häufig verantwort­ lich für das Fehlverhalten von Nutzschaltungen in integrierten Schaltungsanordnungen sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Testeinrichtung zur Durchführung einer solchen zielgerichteten Prüfung.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst. Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Testeinrichtung zum Prüfen des elektrischen Verhal­ tens ausgewählter Strukturen, die Teile einer auf einem Substrat integrierten Schaltungsanordnung darstellen, wobei die Testein­ richtung eine Anschlußeinrichtung zum Anlegen eines gemeinsamen Testsignals an Testsignaleingänge der ausgewählten Strukturen und eine Auswerteschaltung enthält, die mit Testausgängen der ausge­ wählten Strukturen verbunden ist, um die Testsignalantworten die­ ser Strukturen miteinander zu vergleichen und ein das Vergleichs­ ergebnis anzeigendes Signal zu liefern. Erfindungsgemäß sind die mit der Auswerteschaltung verbundenen Strukturen zwei Strukturen, die gleiches Verhalten zeigen sollen, sich aber voneinander unter­ scheiden in mindestens einem der folgenden Merkmale:

• a) ortsspezifische Umgebungseinflüsse,
• b) Geschichte der Herstellung,
• c) stoffliche Zusammensetzung,
• d) Geometrie,
• e) räumliche Orientierung.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Fehlfunktionen in integrierten Schaltungsanordnungen ihre Ursache häufig in einem ungenauen "Matching" von Schaltungsteilen haben. Diesem Matching, d. h. der Verhaltensgleichheit einzelner Komponenten oder Schal­ tungsteile, kommt insbesondere bei analogen oder zeitkritischen Schaltungsteilen große Bedeutung zu. Bekannte Beispiele analoger Nutzschaltungen, bei denen exaktes Matching besonders wichtig ist, sind Differenzverstärker oder Stromspiegel. Hier ist gefordert, daß die Verstärkungskennlinien verschiedener Transistoren oder Schaltungszweige einander gleich sind. Aber auch für digitale Schaltungen kann ein genaues Matching notwendig sein, insbesondere wo es gefordert ist, gleiche Laufzeiten bzw. Verzögerungen in ver­ schiedenen Signalpfaden vorzusehen. Die erfindungsgemäße Testein­ richtung ist ein Mittel zum Prüfen des Matchings und schafft somit die Möglichkeit, spezielle Fehlerquellen direkt aufzuspüren.

Matching-Fehler können auftreten, wenn Strukturen, die Verhaltens­ gleichheit zeigen sollten, unterschiedlichen Umgebungseinflüssen während des Betriebs ausgesetzt sind. Zu solchen Umgebungseinflüs­ sen gehören z. B. Temperatureinflüsse benachbarter Schaltungsteile. Das heißt, zwei Strukturen, deren körperliche Merkmale (sowohl stofflich als auch geometrisch) völlig gleich sind, können im Be­ trieb unterschiedliches Verhalten zeigen, wenn ihre Nachbarstruk­ turen unterschiedlich verlustreich und somit unterschiedlich wär­ meerzeugend sind. Die Gefahr oder Wahrscheinlichkeit, daß Struktu­ ren unterschiedliche Umgebungseinflüsse erfahren, ist häufig auch groß, wenn die Strukturen weit voneinander entfernt liegen. Bei Kenntnis des Layouts einer integrierten Schaltung ist auch bekannt oder vorhersagbar, wo für Strukturen, die sich gleich verhalten sollten, eventuell unterschiedliche Umgebungseinflüsse herrschen könnten und somit ein Matching-Test ratsam ist.

Matching-Fehler können auch dann auftreten, wenn sich die Struktu­ ren, die gleiches Verhalten zeigen sollten, in körperlichen Merk­ malen voneinander unterscheiden. Solche Unterschiede sind häufig unvermeidbar und bedingt durch das Design und/oder das Herstel­ lungsverfahren und/oder durch Zwänge im Layout einer integrierten Schaltungsanordnung. So werden z. B. Elemente von Strukturen, die gleiches Zeitverhalten oder gleiches Verstärkungsverhalten haben sollen, aber an unterschiedlich starke Lasten angeschlossen sind, in Stromflußrichtung unterschiedlich breit bemessen. Hierdurch können sich ungewollte Matching-Fehler einschleichen, z. B. dann, wenn die unterschiedliche Breitenbemessung auch zu unterschiedli­ chen parasitären Kapazitäten oder Induktivitäten führt oder wenn die während eines Dotierungsvorgangs erzielte Dotierungsdichte nicht in linearer Beziehung zur Flächenabmessung steht. Des weite­ ren kann es vorkommen, daß Strukturen, die gleiches Verhaltens zeigen sollen, in unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung und/oder in unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses gebildet werden. Häufig kommt es auch vor, daß Strukturen, die gleiches Verhalten zeigen sollten, layoutbedingt unterschiedliche Geometrie oder räumliche Orientierung haben. Auch hierdurch können Matching-Fehler auftreten.

Da die erfindungsgemäße Testeinrichtung gezielt auf Strukturpaare abgestimmt ist, die den vorstehend geschilderten Ursachen von eventuellen Matching-Fehlern ausgesetzt sind, vermindert sich der Testaufwand.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet. Vorzugsweise sind die Auswerteschaltung und die zugehörigen Anschlußverbindungen einer erfindungsgemäßen Testeinrichtung ganz oder teilweise auf dem selben Substrat inte­ griert wie Nutzschaltungen.

Ein Einfluß der räumlichen Orientierung einer Struktur auf das elektrische Verhalten ist besonders dann zu befürchten, wenn bei der Herstellung die Implantationstechnik angewandt wird. Implantationsschritte, wie sie z. B. bei der Transistor­ fertigung üblich sind, werden häufig unter schrägem Winkel ausgeführt, um zu verhindern, daß die eingestrahlten Teilchen zu tief in das Objekt eindringen oder durch die zu behan­ delnde kristalline Schicht hindurchfliegen (Channeling-Ef­ fekt). Als Konsequenz der schrägen Einstrahlung verhalten sich z. B. verschieden orientierte Transistoren unterschied­ lich, je nachdem, in welche Richtung der Kanalstrom bezüglich der schrägen Implantationsrichtung fließt. Ein besonders häu­ figer Fall unterschiedlicher Orientierung sind spiegelbild­ lich zueinander angeordnete Strukturen. Dementsprechend ist eine besondere Ausführungsform der Erfindung dadurch gekenn­ zeichnet, daß die für einen Matching-Test ausgewählten Struk­ turen zwei Strukturen spiegelbildlicher Geometrie sind.

Ist ein Matching-Test erwünscht für Paare von Strukturen, die sich körperlich (also stofflich oder geometrisch) unterschei­ den, wird es meist genügen, für den Test nur ein repräsenta­ tives Paar auszuwählen. Hierzu kann geeignetes Paar der in den Nutzschaltungen enthaltenen Strukturen direkt verwendet werden. Kleine Strukturen in den vorhandenen Nutzschaltungen sind jedoch nur schwer meßtechnisch zu erfassen, und für die Durchführung eines unmittelbaren Matching-Tests an diesen Strukturen sind aufwändige Eingriffe und Präparationsmaßnah­ men an den Nutzschaltungen selbst erforderlich. Um die damit verbundenen Probleme zu vermeiden, ist eine vorteilhafte Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Testeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß gesonderte Teststrukturen, die gleich oder ähnlich einem zu testenden Strukturpaar der Nutzschal­ tungen sind, gleichsam als "Stellvertreter" auf dem selben Substrat wie die Nutzschaltungen integriert sind. Diese Stellvertreter-Strukturen sind dann diejenigen, denen das Testsignal angelegt wird und deren Testsignalantworten von der Auswerteschaltung analysiert werden.

Bei der Massenfertigung von integrierten Schaltungen wird meist eine Vielzahl gleichartiger Schaltungen oder elektrischer Baugruppen auf einem Wafer integriert, der nach Ab­ schluß der Integrationsschritte einem erfindungsgemäßen Mat­ ching-Test unterworfen werden kann, bevor er in die einzelnen "Chips" zerteilt wird. Das Zerteilen erfolgt mittels Ätzen von Kerben entlang vorgesehener Trenn- oder "Kerf"-Bereiche, deren Flächengröße ausreichen kann, um Schaltungsstrukturen aufzunehmen. In vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung sind zumindest Teile der Testeinrichtung, z. B. der Auswerte­ schaltung(en) und/oder der erwähnten Stellvertreter-Struktu­ ren, an Orten innerhalb dieser Kerf-Bereiche integriert, so daß sie keine Chipfläche beanspruchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnungsfigur erläutert, die das Schaltbild einer Testeinrichtung zur Durchführung eines Matching-Tests hin­ sichtlich des Zeitverhaltens zweier spiegelbildlicher Struk­ turen einer integrierten Schaltungsanordnung zeigt. Rechts neben dem Schaltbild sind über einer gemeinsamen Zeitachse die Wellenformen von Signalen dargestellt, die an verschie­ denen Punkten der Testeinrichtung erscheinen.

Die gezeigte Testeinrichtung enthält zwei schematisch darge­ stellte Teststrukturen 11 und 12, die zusammen mit Nutzschal­ tungen (nicht dargestellt) auf einem gemeinsamen Substrat in­ tegriert sind. Die beiden Teststrukturen 11 und 12 entspre­ chen zwei Strukturen, die in den Nutzschaltungen (einfach oder mehrfach) vorkommen und dort trotz ihrer spiegelbildli­ chen Geometrie gleiches Zeitverhalten haben sollten. Um fest­ zustellen, ob damit zu rechnen ist, daß diese Gleichheit wirklich besteht, werden die Eingänge der beiden Teststruk­ turen mit dem Ausgang eines Testsignalgebers 13 verbunden, der ein Testsignal TS in Form einer Sprungfunktion liefert. An den Ausgängen A1 und A2 der Teststrukturen 11 und 12 er­ scheint Antwort auf das Testsignal mehr oder weniger verzö­ gert, abhängig vom Zeitverhalten dieser Strukturen. In der Figur ist der Fall dargestellt, daß A1 um eine Differenz τ mehr verzögert ist als A2.

Die beiden Testsignalantworten A1 und A2 werden den Eingängen eines Exklusiv-ODER-Gatters (XOR-Gatter) 20 angelegt, dessen Ausgang B einen Impuls der Dauer τ liefert, welcher jeweils einem ersten Eingang zweier UND-Gatter 31 und 32 zugeführt ist. Das UND-Gatter 32 empfängt an seinem zweiten Eingang die Testsignalantwort A2 von der Struktur 12 und liefert an sei­ nem Ausgang C2 den Impuls der Dauer τ. Ein nachgeschalteter Integrator 42 liefert an seinem Ausgang D2 das zeitliche In­ tegral dieses Impulses, also einen Spannungswert, der von Null auf einen Wert ansteigt, welcher proportional zu τ ist. Dieses Spannungssignal gelangt zum negativen Eingang eines Differenzverstärkers 50. Das UND-Gatter 31 empfängt an seinem zweiten Eingang die Testsignalantwort A1 von der Struktur 11, und ein nachgeschalteter Integrator 41 liefert an seinem D1 den gleichbleibenden Spannungswert Null, der zum positiven Eingang des Differenzverstärkers 50 gelangt.

Am Ausgang E des Differenzverstärkers 50 erscheint somit eine negative Spannung, deren Amplitude proportional zu τ ist. Falls die Testsignalantwort A2 der Struktur 12 mehr verzögert ist als die Testsignalantwort A1 der Struktur 11, erscheint am Ausgang E des Differenzverstärkers 50 eine positive Span­ nung, deren Amplitude proportional der betreffenden Verzöge­ rungsdifferenz ist. Sind beide Testsignalantworten A1 und A2 gleich verzögert, wie es dem Sollverhalten der von den Test­ strukturen 11 und 12 vertretenen Strukturen in den Nutzschal­ tungen entspricht, bleibt das Ausgangssignal E des Differenz­ verstärkers 50 auf Null. Das Ausgangssignal E der Testein­ richtung zeigt also die Richtung und den Betrag des "Mat­ ching"-Fehlers an.

Die beiden Teststrukturen 11 und 12 können Nachbildungen be­ liebiger Strukturpaare sein, die in den Nutzschaltungen vor­ kommen und deren Matching in Frage steht. Die aus den Elemen­ ten 20 bis 50 bestehende Auswerteschaltung gemäß der Zeich­ nungsfigur und auch das vom Testsignalgeber 13 gelieferte Sprungsignal TS sind nur ein Beispiel, geeignet speziell für den Fall, daß der Matching-Test das relative Zeitverhalten des Strukturpaars offenbaren soll. Ist das Teststrukturpaar z. B. ein Feldeffekt-Transistorpaar, dann kann der Spannungs­ sprung TS auf den Draineingang beider Transistoren gelegt werden, deren Gateelektroden auf dem gleichen Potential gehalten sind und an deren Sourceelektroden die Testsignal­ antworten A1 und A2 abgeleitet werden.

Die Erfindung ist natürlich nicht beschränkt auf die Untersu­ chung des Zeitverhaltens. Soll sich der durchzuführende Mat­ ching-Test auf andere Charakteristiken wie z. B. den Verstär­ kungsfaktor oder die Amplitudendämpfung beziehen, dann wird die Auswerteschaltung dementsprechend anders auszulegen sein, um anhand irgendeines geeigneten Testsignals Abweichungen zwischen den verglichenen Strukturen festzustellen und anzu­ zeigen. Einem Fachmann auf dem Gebiet der Schaltungsprüfung ist es ohne weiteres möglich, hierzu geeignete Auswerteschal­ tungen und Testsignale zu entwerfen.

Bezugszeichenliste

11

,

12

Teststrukturen

20

Exklusiv-ODER-Gatter

31

,

32

UND-Gatter

41

,

42

Integratoren

50

Differenzverstärker

Claims (6)

1. Testeinrichtung zum Prüfen des elektrischen Verhaltens ausgewählter Strukturen (11, 12), die Teile einer auf einem Substrat integrierten Schaltungsanordnung darstellen, mit einer Anschlußeinrichtung zum Anlegen eines gemeinsamen Testsignals (TS) an Testsignaleingänge der ausgewählten Strukturen (11, 12) und mit einer Auswerteschaltung (20-50), die mit Testausgängen (A1, A2) der ausgewählten Strukturen (11, 12) verbunden ist, um die Testsignalantworten dieser Strukturen miteinander zu vergleichen und ein das Vergleichs­ ergebnis anzeigendes Signal zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Auswerteschaltung (20-50) verbundenen Strukturen (11, 12) zwei Strukturen sind, die gleiches Verhalten zeigen sollen, sich aber voneinander unterscheiden in mindestens einem der folgenden Merkmale:

• a) ortsspezifische Umgebungseinflüsse,
• b) Geschichte der Herstellung,
• c) stoffliche Zusammensetzung,
• d) Geometrie,
• e) räumliche Orientierung.

2. Testeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20-50) auf dem selben Substrat wie die Nutzschaltungen integriert ist.

3. Testeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden mit der Auswerteschaltung (20-50) verbundenen Strukturen (11, 12) zwei Strukturen spiegelbildlicher Geometrie sind.

4. Testeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden mit der Auswerteschaltung (20-50) verbundenen Strukturen (11, 12) zwei Stellvertreter-Strukturen sind, die getrennt von den Nutzschaltungen der integrierten Schaltungsanordnung auf dem selben Substrat wie die Nutzschaltungen integriert sind und deren jede repräsentativ für eine in den Nutzschaltungen enthaltene Struktur ist.

5. Testeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvertreter-Strukturen (11, 12) zumindest teil­ weise an Orten innerhalb von Kerf-Bereichen des Substrats integriert sind.

6. Testeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20-50) zumindest teilweise an Orten innerhalb von Kerf-Bereichen des Substrats integriert ist.