CN109313150B - 磨损监控装置 - Google Patents

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Abstract

所公开的技术一般涉及具有磨损监控能力的集成电路装置。集成电路装置包括磨损监控装置，配置为记录与磨损监控装置分开的核心电路的磨损指示，其中所述指示与所述磨损监控装置内的扩散剂的局部扩散有关，以响应使所述核心电路磨损的磨损应力。

Description

磨损监控装置
通过合并引入
本申请要求以下专利申请的全部内容并通过引用并入本申请：2016年10月12日提交的美国申请No.15/291,742；2016年4月19日提交的美国临时申请No.US 62/324,828；2017年1月18日提交的美国临时申请No.62/447,824；和2017年2月6日提交的美国临时申请No.62/455,481。
技术领域
所公开的技术一般涉及用于集成电路装置的磨损监控装置。
背景技术
可以基于例如故障机制的理论，经验或半经验模型来预测一些集成电路(IC)设备的任务寿命。反过来，失效机制取决于导致IC器件故障的磨损应力的类型。引起IC器件磨损的应力包括热应力、电压(或电磁场)应力、电流应力和机械应力，以及其他类型的应力。一些故障是由急剧应力引起的，例如电过应力(EOS)或静电放电(ESD)事件，而其他故障是由累积应力引起的，例如在操作期间的热、电压或电流应力。经受这些磨损应力超过其预期任务寿命的IC器件可能会增加可靠性故障的可能性，这可能是突然的和灾难性的。例如，某些热激活的故障机制，例如存储器设备的数据保持，在给定温度下具有可预测的故障时间。然而，引起磨损的应力可以是间歇的和可变的。结果，即使故障机制相对众所周知，也难以预测故障时间。因此，期望实时监控累积应力，使得用户可以例如自动地监控IC设备实际上离任务寿命的结束有多接近，以避免突然故障。
监控磨损应力的一种方法可以是实现传感器系统。传感器系统可包括一个或多个传感器，例如温度传感器和电流传感器，用于测量应力和用于转换测量应力的相关电路。然后可以记录和跟踪与应力相关的测量值，以便在规定的极限之外进行可能的偏移。可以在产品的整个生命周期内执行这种监控，以警告用户预测的故障。但是，对于这样的系统可能存在许多限制。例如，传感器系统可以包括用于在产品的寿命期间连续感测的电源。另外，感测信号(例如，电压或电流信号)可以是易失性的并且如果不存储则会丢失。然后可以从存储的信息计算被监控的组件的磨损等级。结果，可以实现内置存储器和/或将信息传输到外部存储器的能力。此外，监控条件的范围可能受到传感器本身的限制。例如，如果传感器是基于半导体的设备，则可以监控被监控组件的温度，电压和/或电流范围可能受到基于半导体的设备的操作参数的限制。在该范围之外，由于传感器系统本身可能的故障，可能无法监视和记录偏移。因此，需要改进的磨损监控装置。
发明内容
权利要求中描述的创新各自具有若干方面，其中没有一个方面单独负责其期望的属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简要描述本公开的一些突出特征。
在一方面中，具有磨损监控的集成电路装置包括核心电路和磨损监控装置。磨损监控装置被配置为无论所述核心电路是否被激活都调节所述核心电路的磨损指示。集成电路装置另外包括感测电路，被配置为检测与所述磨损监控装置相关的电气特性，其中电气特性指示所述核心电路的磨损。
在一些实施方案中，磨损监控装置包括基板和配置为在所述基板中扩散的监控原子，其中所述基板中监控原子的掺杂分布指示所述核心电路的磨损。
在一些实施方案中，所述监控原子在所述基板中具有介于0.75eV和2.5eV之间的扩散活化能。
在一些实施方案中，监控原子包括选自铝(Al)、钴(Co)、铂(Pt)、硫(S)、镍(Ni)、银(Ag)、锌(Zn)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、铁(Fe)、钠(Na)和钾(K)中的一种或多种元素。
在一些实施方案中，所述核心电路和所述磨损监控装置形成在所述基板中，该基板是由半导体材料形成的共同基板，并被配置为使得所述监控原子在磨损应力下保持在所述磨损监控装置中而不扩散到所述核心电路中。
在一些实施方案中，磨损监控装置包括形成在基板表面上的监控原子的储库，其中所述储库用作所述磨损监控装置的第一电极，并且其中磨损监控装置还包括在由与所述第一电极不同的材料形成的表面上的第二电极。
在一些实施方案中，基板包括半导体材料作为用于监控原子的扩散介质。
在一些实施方案中，监控装置包括PN结，其中储库物理接触PN结的p掺杂区域或n掺杂区域之一，并且其中所述第二电极与所述p掺杂区域或所述n掺杂区域中的另一个电接触。
在一些实施方案中，电气特性包括PN结的反向偏置电流。
在一些实施方案中，监控装置包括第一掺杂区域和第二掺杂区域，它们彼此分开并且被配置为在所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域之间的偏置下穿通，其中第一掺杂区域和第二掺杂区域具有相反的导电类型，并且其中监控原子被配置为在偏置下从所述第一掺杂区域向所述第二掺杂区域扩散。
在一些实施方案中，第二掺杂区域是与所述第一掺杂区域垂直分离的掩埋区域，该第一掺杂区域形成在所述半导体材料的表面处。
在一些实施方案中，第一掺杂区域和所述第二掺杂区域形成在所述半导体材料的表面区域处并且彼此横向分离。
在一些实施方案中，监控装置包括场效应晶体管，所述场效应晶体管包括通过沟道区域彼此分开的源极区域和漏极区域，并且其中在偏置下，所述监控原子被配置为从所述源极区域或所述漏极区域之一扩散到沟道中，朝向源极区域或漏极区域中的另一个扩散。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括耦合到所述感测电路的参考装置，其中感测电路被配置为基于所述磨损监控装置的电气特性与所述参考装置的相应电气特性的比较来提供磨损指示。
在一些实施方案中，参考装置包括与所述磨损监控装置相同类型的装置，同时具有至少一个电极，该电极由与具有监控原子的磨损监控装置的相应电极不同的材料形成。
在一些实施方案中，磨损指示指示热应力、电压应力或电流应力中的一个或多个。
在一些实施方案中，监控原子被配置为使得磨损应力使所述监控原子在基板中扩散的速率的变化。
在一些实施方案中，磨损监控装置包括p掺杂区域和n掺杂区域，其中p掺杂区域包括与扩散材料不同的p型掺杂剂，并且所述n掺杂区域包括与扩散材料不同的n型掺杂剂。
在另外方面中，一种监控包括核心电路和磨损监控装置的集成电路装置的磨损的方法，包括检测磨损监控装置的电气特性，其中磨损监控装置包括半导体材料和被配置为扩散到所述半导体材料中的监控原子，并且其中电气特性对应于指示核心电路的磨损的所述半导体材料中监控原子的浓度分布。该方法还包括记录所述磨损监控装置的电气特性。
在一些实施方案中，在检测之前，该方法包括使所述集成电路装置经受应力状态，该应力状态使所述监控原子在所述半导体材料中扩散。
在一些实施方案中，该方法还包括基于检测的磨损装置的电气特性，确定所述核心电路的磨损是否已达到预定水平。
在一些实施方案中，监控装置包括多个掺杂区域和监控原子的储库，所述监控原子的储库与一个掺杂区域物理接触并用作电极，并且检测电气特性包括使用电极测量电流或电压。
在一些实施方案中，应力状态包括热应力状态、电压应力状态或电流应力状态中的一个或多个。
在另外方面中，具有磨损监控的集成电路装置包括核心电路和用于以基板中扩散材料的掺杂分布记录所述核心电路的磨损的构件。集成电路装置另外包括用于检测核心电路的磨损指示的构件，所述用于记录磨损的构件和所述用于记录磨损指示的构件相通。
在一些实施方案中，扩散材料在基板中具有0.75eV和2.5eV之间的扩散活化能。
在一些实施方案中，基板是半导体基板。
在一些实施方案中，用于记录的构件包括掺杂有第一类型的第一掺杂剂的第一掺杂区域和掺杂有第二类型的第二掺杂剂的第二掺杂区域掺杂区域。
在一些实施方案中，用于记录的构件还包括储库，包含扩散材料的原子，其中储库接触第一掺杂区域或第二掺杂区域之一。
在一些实施方案中，用于记录的构件包括具有p掺杂区域和n掺杂区域的PN结，其中p掺杂区域包括与掺杂剂不同的p型掺杂剂，并且n掺杂区域包括与扩散材料不同的n型掺杂剂。
在一些实施方案中，用于记录的构件包括具有源极区域和漏极区域的金属氧化物硅晶体管，其中源极区域和漏极区域掺杂有与扩散掺杂剂不同的n型掺杂剂或p型掺杂剂。
在一些实施方案中，用于记录的构件包括在基板中形成的监控区域和参考区域，其中监控区域和参考区域中的每一个包括扩散材料，并且至少参考区域包括屏障，该屏障被配置为限制扩散材料扩散到基板中。
在一些实施方案中，用于检测的构件被配置为测量来自监测区域和参考区域中的每一个的阻抗值，并基于测量的阻抗值的比较来确定核心电路的磨损。
在另外方面中，集成电路装置包括磨损监控装置，配置为记录与磨损监控装置分开的核心电路的磨损指示，其中所述指示与所述磨损监控装置内的扩散剂的局部扩散有关，以响应使所述核心电路磨损的磨损应力。
在一些实施方案中，磨损监控装置包括所述扩散剂的储库和与储库相通的扩散区域，使得磨损应力使扩散剂从储库扩散到扩散区域。
在一些实施方案中，扩散区域包括半导体材料。
在一些实施方案中，所述磨损指示与所述扩散区域中的扩散剂浓度有关。
在一些实施方案中，扩散剂在所述扩散区域中具有0.75eV和2.5eV之间的扩散活化能。
在一些实施方案中，扩散剂包括选自铝(Al)、钴(Co)、铂(Pt)、硫(S)、镍(Ni)、银(Ag)、锌(Zn)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、铁(Fe)、钠(Na)和钾(K)中的一种或多种元素。
在一些实施方案中，所述储库形成于基板表面，其中所述储库用作所述磨损监控装置的第一电极，并且其中磨损监控装置还包括形成在表面上并由与储库不同的材料形成的第二电极。
在一些实施方案中，核心电路和磨损监控装置形成在由半导体材料形成的共同基板中，并且配置为使得扩散剂在磨损应力下保持在磨损监控装置中而不扩散到核心电路中。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括感测电路，所述感测电路电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测响应于所述扩散剂局部扩散到所述扩散区域中而改变的电气特性。
在一些实施方案中，集成电路装置包括核心电路，与所述磨损监控装置物理分离使得所述扩散剂不会从所述磨损监控装置扩散到所述核心电路中。
在一些实施方案中，所述磨损监控装置被配置为在记录磨损指示之前由刺激激活。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括控制电路，所述控制电路连接到所述磨损监控装置并配置为供应所述刺激，其中刺激包括电压刺激或电流刺激中的至少一种。
在一些实施方案中，刺激包括光学刺激。
在一些实施方案中，具有用于扩散剂扩散的能垒的物理屏障设置在所述储库和所述扩散区域之间，其中物理屏障被配置为使得所述能垒响应于所述刺激而减小以激活所述磨损监控装置。
在一些实施方案中，所述磨损监控装置被配置成使得所述刺激为所述屏障提供足够的热能以减小能垒。
在一些实施方案中，扩散区域和储库具有不同的组成，使得区域具有能垒，用于扩散剂相对于储库的扩散，其中能垒为使得所述刺激赋予所述扩散剂足够的能量以激活所述磨损监控装置。
在一些实施方案中，所述能垒在室温下大于所述储库中扩散剂的平均热能。
在一些实施方案中，所述磨损监控装置包括多个监控结构，每个监控结构配置为记录所述核心电路的磨损指示。
在一些实施方案中，所述监控结构中的不同监控结构被配置为在记录核心电路的磨损指示之前由不同的刺激激活。
在一些实施方案中，所述监控结构中的不同监控结构具有在相应的储库和相应的扩散区域之间形成的不同的物理屏障。
在一些实施方案中，所述监控结构中的不同监控结构具有不同配置的扩散区域。
在一些实施方案中，不同配置的扩散区域具有不同的组成。
在一些实施方案中，所述监控结构中的不同监控结构具有不同配置的储库。
在一些实施方案中，不同配置的储库具有不同的组成。
在一些实施方案中，每个监控结构具有形成在其上的多个电极。
在一些实施方案中，所述多个电极的电极彼此规则地间隔开。
在一些实施方案中，监控结构横向排列在共同基板上。
在一些实施方案中，相邻的监控结构以规则的间隔形成。
在一些实施方案中，所述储库和所述扩散区域在共同基板上相对于彼此横向设置，使得所述磨损指示基于扩散剂的局部扩散，该扩散剂在平行于所述基板的主表面的横向方向上具有净扩散方向。
在一些实施方案中，净扩散方向是从储存区域朝向位于中心的扩散区域的径向向内方向，所述储库区域引入围绕所述扩散区域的扩散剂。
在一些实施方案中，所述磨损指示基于具有净扩散方向的扩散剂的扩散，所述净扩散方向是从位于中心的储库区域的径向向外方向，所述储库区域引入扩散剂朝向围绕所述储库区域的扩散区域。
在一些实施方案中，监控结构垂直排列在共同基板上。
在一些实施方案中，基板的原子用作扩散剂，使得所述磨损应力使基板的原子从所述基板扩散到所述扩散区域。
在一些实施方案中，所述磨损应力导致形成氧化物，该氧化物包括所述储库的表面的基板的原子。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括感测电路，电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测响应于基板的原子局部扩散进入所述扩散区域而改变的电气特性。
在一些实施方案中，所述感测电路被配置为测量所述扩散区域的电阻率。
在一些实施方案中，磨损监控装置还包括参考电极，其中所述感测电路被配置为测量所述参考电极和所述扩散区域之间的电容。
在一些实施方案中，磨损监控装置被配置为沿第一方向将电场施加到所述扩散区域，并且其中扩散剂当在所述扩散区域中扩散时具有电荷状态，使得当所述电场施加到其中扩散剂扩散的扩散区域时，所述电场使所述扩散剂在第一方向上进一步在扩散区域中扩散。
在一些实施方案中，所述扩散区域和所述储库沿不同于第一方向的第二方向相邻地设置，并且配置为使得所述磨损应力使扩散剂沿第二方向扩散。
在一些实施方案中，扩散区域设置在半导体基板中，并且所述储库形成在所述半导体基板的表面上，使得磨损应力使所述扩散剂沿垂直于半导体基板表面的方向扩散，并且所述电场使所述扩散剂沿平行于半导体基板表面的方向上扩散。
在一些实施方案中，多个导电结构沿着第一方向形成在所述扩散区域的表面上，并在多个位置提供对扩散区域的电接入。
在一些实施方案中，磨损监控装置被配置为通过在一个或多个导电结构上施加电压来施加电场。
在一些实施方案中，扩散区域包括掺杂有掺杂剂的半导体材料，所述掺杂剂具有沿第一方向分级的浓度，使得所述电场沿第一方向在扩散区域的大小上变化。
在一些实施方案中，磨损监控器在所述扩散区域中具有相反掺杂的半导体区域，使得所述电场是扩散区域中的内置电场.
在一些实施方案中，磨损监控装置被配置为使得所述磨损应力使所述扩散剂从所述储库扩散开并进入所述扩散区域，其中扩散剂当扩散到扩散区域时具有电荷状态，并且其中磨损监控装置进一步配置为将电场施加到所述扩散区域，使得当所述电场施加到其中扩散剂扩散的扩散区域时，所述电场使所述扩散剂朝向所述储库扩散。
在一些实施方案中，磨损监控装置被配置为施加具有这样大小的电场，当该电场施加到其中扩散剂扩散的扩散区域时，所述电场使所述扩散剂沿浓度梯度增加的方向扩散。
在一些实施方案中，磨损监控装置被配置为响应于刺激而激活扩散剂的扩散。
在一些实施方案中，刺激包括电压、电流、光或热中的至少一种。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括控制电路，该控制电路被配置为将所述刺激施加到磨损装置。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括感测电路，电连接到磨损监控装置并配置为随时间提供扩散分布的指示。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括感测电路，电连接到所述磨损监控装置并配置为原位提供磨损指示.
在一些实施方案中，磨损监控装置包括半导体基板，并且扩散剂被配置为扩散到半导体基板中。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括感测电路，电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测响应于扩散剂局部扩散到半导体基板中而改变的电气特性。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括感测电路，电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测电气特性，该电气特性响应于所述磨损监控装置的半导体材料的局部扩散到扩散区域中而变化。
在一些实施方案中，磨损监控装置被配置为使得能够应用刺激以引起局部扩散的方向响应于刺激而改变。
在另外方面中，监控集成电路装置的核心电路磨损的方法使用与核心电路分开的磨损监控装置。该方法包括记录所述核心电路的磨损指示，其中所述指示与所述磨损监控装置内的扩散剂的局部扩散有关，以响应使所述核心电路磨损的磨损应力。该方法还包括检测响应于扩散剂的局部扩散而变化的电气特性。该方法还包括记录所述磨损监控装置的电气特性。
在一些实施方案中，该方法还包括在记录之前，使所述磨损监控装置经受磨损应力，该磨损应力使局部扩散从包括所述扩散剂的储库进入扩散区域。
在一些实施方案中，该方法还包括在使所述磨损监控装置经受磨损应力之前，通过施加刺激以克服能垒来启动监控装置。
在一些实施方案中，施加刺激改变具有能垒的物理屏障并减少能垒。
在一些实施方案中，该方法还包括在使所述磨损监控装置经受磨损应力之后，将电场施加到扩散区域，该扩散区域具有沿第一方向扩散的扩散剂，使得所述电场使所述扩散剂沿第一方向进一步扩散。
在一些实施方案中，该方法还包括在使所述磨损监控装置经受磨损应力以使扩散剂从储库扩散开并进入扩散区域之后，将电场施加到其中扩散剂扩散的扩散区域，使得所述电场使所述扩散剂朝向储库扩散。
在另外方面中，集成电路装置具有集成电路装置中核心电路的磨损监控能力。集成电路装置包括用于记录核心电路的磨损指示的构件，其中该指示与响应于导致核心电路磨损的磨损应力的记录装置内的扩散剂的局部扩散有关。集成电路装置另外包括用于检测核心电路的磨损指示的构件，用于检测磨损指示的构件和用于记录磨损指示的构件相通。
在一些实施方案中，用于记录的构件包括：包括所述扩散剂的储库和扩散区域，与所述储库连通使得所述磨损应力使所述扩散剂从所述储库扩散到所述扩散区域。
在一些实施方案中，用于记录的构件被配置为在使扩散剂从储库扩散到扩散区域之前响应于刺激而激活。
在一些实施方案中，集成电路装置还包括用于沿第一方向向扩散区域施加电场的构件，并且其中扩散剂当在扩散区域中扩散时具有电荷状态，使得当电场施加到其中扩散剂扩散的扩散区域时，所述电场使扩散剂在扩散区域中沿第一方向进一步扩散。
在一些实施方案中，用于记录的构件被配置为使得所述磨损应力使所述扩散剂从所述储库扩散开并进入所述扩散区域，其中扩散剂当扩散到扩散区域时具有电荷状态，并且其中记录构件进一步配置为将电场施加到所述扩散区域，使得当所述电场施加到其中扩散剂扩散的扩散区域时，所述电场使所述扩散剂朝向所述储库扩散。
在另外方面中，传感器包括集成数据记录结构。传感器包括第一区域，适于暴露于用作所述传感器主体内的溶质的材料。传感器另外包括接触第一区域并适于使溶质远离第一区域迁移的第二区域，使得作为时间函数的溶质浓度被编码为溶质在传感器主体内的空间分布。
在一些实施方案中，所述第二区域被配置为在电场(E-场)下沿第一方向迁移溶质。
在一些实施方案中，E-场是由形成第二区域的材料内的空间梯度掺杂分布提供的内在E-场。
在一些实施方案中，E-场由施加在第二区域上的电压差提供。
在一些实施方案中，传感器还包括沿第二区域延伸的读取结构，用于作为沿所述第二区域的位置的函数读取所述第二区域的电特性。
在一些实施方案中，读取结构包括沿所述第二区域设置的多个电极。
在一些实施方案中，读取结构包括沿所述第二区域设置的多个晶体管，其中所述晶体管包括双极结型晶体管，并且所述第二区域用作双极晶体管中的相应双极晶体管的基极区域；和/或其中所述晶体管包括场效应晶体管，并且所述第二区域用作场效应晶体管中的相应场效应晶体管的栅极或沟道区域。
在一些实施方案中，读取结构包括多个二极管。
在一些实施方案中，传感器还包括参考沟道，其中参考沟道包括对应于传感器的第二区域但不接触第一区域的第三区域。
在一些实施方案中，温度包括传感器，该传感器包括上述集成数据记录结构。传感器的第一区域与用作溶质的材料接触或掺杂，其中材料相对于传感器主体的材料具有小于3电子伏特(eV)的活化能。
在一些实施方案中，选择用作温度传感器中的溶质的材料以具有小于2eV且大于0.7eV的活化能。
在一些实施方案中，温度传感器中的材料选自银、金和铜。
在一些实施方案中，浓度传感器包括上述温度传感器。另外，浓度传感器还包括暴露于用作第二溶质的试剂的第三区域；和第四区域，与所述第三区域接触并适于沿所述第四区域迁移第二溶质。
在一些实施方案中，传感器还包括用于控制用作溶质的材料与第一区域之间的接触的结构。
在一些实施方案中，用于控制接触的结构响应于温度、压力和电控制中的一个或多个。
在一些实施方案中，传感器还包括读取电路。
在一些实施方案中，管芯，带上述传感器。
在一些实施方案中，一种芯片级封装，包括与至少一个其他管芯共同封装的上述管芯。
在另外方面中，可操作以在无动力状态下记录温度的温度传感器包括与半导体的存储区域接触放置的溶质材料。掺杂半导体的存储区域使得其中存在固有电场，以便沿着存储区域迁移溶质，使得作为时间的函数的温度被编码为存储区域内的溶质的空间分布。
在另外方面中，制造温度传感器的方法包括调整半导体的区域，使得跨越该区域存在电场梯度。该方法还包括在半导体的区域内形成多个读取结构，使得可以确定作为该区域内的位置的函数的电特性。该方法还包括将半导体区域的一部分暴露于杂质源，由此杂质改变半导体的电特性。
出于概述本公开的目的，本文已经描述了本发明的某些方面，优点和新颖特征。应该理解，根据任何特定实施例，不一定能够实现所有这些优点。因此，可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式实施或实施创新，而不一定实现本文可能教导或建议的其他优点。
附图说明
现在将参考附图通过非限制性示例描述本公开的实施例。
图1是示出集成电路装置群的故障率与时间的关系图。
图2A示出了根据实施方案的包括片上磨损监控装置的集成电路装置。
图2B示出了根据实施方案的包括片上磨损监控装置和参考装置的集成电路装置。
图3A和3B示出了根据实施方案的具有监控原子的磨损监控装置，其响应于磨损应力而扩散速率发生变化。
图4A示出了根据实施方案的具有磷作为监控原子的磨损监控装置。
图4B是示出在125℃下不同时间扩散之后，图4A中磨损监控装置的硅基板中磷的计算浓度分布的曲线图。
图5A示出了根据实施方案的磨损监控装置，其具有金作为监控原子s。
图5B-5D是说明在分别在75℃、100℃和125℃下扩散不同时间后，图5A中磨损监控装置的硅基板中金的计算的浓度分布的曲线图。
图6A是磨损监控装置的图示，该磨损监控装置包括半导体材料和配置成在半导体材料中扩散的监控原子。
图6B示出了图6A的盒装区域的近视图。
图6C是示出在125℃下扩散不同时间之后图6A/6B中的磨损监控装置的硅器件基板中的金的计算的浓度分布的曲线图。
图7A是根据实施方案的磨损监控装置的图示，该磨损监控装置包括被配置为在半导体材料中扩散的监控原子。
图7B是根据实施方案的参考装置的图示，该参考装置被配置为提供图7A的监控装置的参考测量。
图8是根据实施方案的配置为电流引发的磨损监控装置的磨损监控装置的图示。
图9是根据实施方案的配置为电压感应磨损监控装置的磨损监控装置的图示。
图10A和10B是根据实施方案的配置为PN结磨损监控装置的磨损监控装置的图示。
图11A和11B是根据实施方案的配置为垂直穿通磨损监控装置的磨损监控装置的图示。
图12是根据实施方案的配置为横向穿通磨损监控装置的磨损监控装置的图示。
图13A和13B是根据实施方案的构造为金属氧化物-硅(MOS)磨损监控装置的磨损监控装置的图示。
图14A和14B示出了根据实施方案的形成电极的方法，该电极包含用于磨损监控装置的监控原子。
图15A-15D示出了根据实施方案的磨损监控装置的各种配置，其包括PN结和被配置为扩散到PN结中的监控原子层。
图16A-16G示出了根据实施方案的磨损监控装置的各种配置，用于控制监控原子进入下面的基板的扩散速率。
图17A和17B示出了根据实施方案的配置为双极结晶体管(BJT)的磨损监控装置。
图18A-18D示出了根据实施例的配置为金属氧化物半导体(MOS)晶体管的磨损监控装置。
图19A和19C-19D示出了根据实施方案的磨损监控装置，其配置为阻抗测量装置。
图19B示意性地示出了图19A和19C-19D的磨损监控装置的浓度分布的时间演变。
图20A-20C示出了根据一些实施例的被配置为与磨损监控装置一起使用的转换电路。
图21A-21B示出了根据一些其他实施例的被配置为与磨损监控装置一起使用的转换电路。
图22A-22C示出了根据实施方案的电容可编程增益放大器(PGA)电路，其被配置为比较磨损监控装置和参考装置之间的输出信号。
图23A-23C示出了根据实施例的跨阻放大器(TIA)，其被配置为放大并将磨损监控装置的电流输出转换为电压信号。
图24示出了根据一些实施例的具有阳极偏置的跨阻抗放大器(TIA)，其被多路复用以放大并将监控装置和参考装置的电流输出转换为电压信号。
图25示出了根据实施方案的具有一个或多个磨损监控装置的寿命指示器系统。
图26示出了根据实施方案的包括一个或多个磨损传感器的任务轮廓监测系统。
图27-28示出了根据实施方案的用于应用磨损监控装置的IC器件中的电源电压保护带。
图29示出了根据实施方案的IC装置，该IC装置包括磨损监控装置，并且被配置为在使用最小能量或无能量的同时无线传输被监测数据。
图30A-30D示出了根据实施方案的磨损监控装置的各种实施例，该磨损监控装置具有被配置为氧化或腐蚀以确定累积磨损应力的结构。
图31示出了根据实施方案的多个磨损监控装置，其横向布置为磨损监控装置的阵列。
图32A和32B示出了根据实施方案的与参考装置配对并且横向排列成阵列的多个监控装置。
图33A-33C示出了根据实施方案的多个监控装置，它们横向排列成阵列。
图34是根据实施方案的包中的系统(SIP)或具有嵌入式组件的系统的图，该系统包括一个或多个磨损监控装置。
图35A和35B分别示出了根据实施方案的配置为磨损监控装置s的ESD事件检测电路的示意图。
图36A-36C示出了根据实施方案的配置为磨损监控装置的ESD保护装置的示例性物理布局。
图37A-37C示意性地示出了根据实施方案的垂直集成系统，其包括在单个芯片上集成有ESD保护和/或能量收集电路的一个或多个磨损或腐蚀监控装置。
图38A-38E示出了根据实施方案的在柔性基板中或上形成的磨损监控装置的各种实施例，用于监测与机械变形相关的磨损应力。
图39A示出了根据实施方案的磨损监控装置，其具有一个或多个锯齿状结构，用于监测与电场增强相关的磨损应力。
图39B示出了根据实施方案的图39A的磨损监控装置的参考装置。
图40是根据实施方案的磨损监控装置的图示，该磨损监控装置包括被配置为在半导体材料中扩散的监控原子。
图41A是示出在制造的磨损监控装置的反向偏压下的反向偏压和击穿下的实验电流-电压曲线的曲线图，类似于图40中示意性示出的装置。
图41B是示出在制造的磨损监控装置的反向偏压下的实验电流-电压曲线的曲线图，其类似于图40中示意性示出的装置，在200℃下经受不同的热应力持续时间。
图41C是示出在制造的磨损监控装置的正向偏压下的实验电流-电压曲线的曲线图，其类似于图40中示意性示出的装置。
图42A是绘制在制造的磨损监控装置的反向偏压下的实验泄漏电流的图表，其类似于图40中示意性示出的装置，在200℃下经受不同的热应力持续时间。
图42B是绘制在制造的磨损监控装置的反向偏压下计算的泄漏电流的图表，其类似于图40中示意性示出的装置，在不同温度下经受不同的热应力持续时间之后。
图42C是绘制在制造的磨损监控装置的反向偏压下的泄漏电流的等高线图，其类似于图40中示意性示出的装置，作为热应力的不同持续时间和温度的函数。
图43A示出了根据实施方案的磨损监控装置，其配置成基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中该装置具有通过屏障与基板分离的监控原子的储库。
图43B示出了根据实施方案由施加到图43A所示的磨损监控装置的电刺激引起的焦耳加热的模拟。
图44A示出了根据实施方案说明监控原子的活化能水平的示意性三维能量空间图。
图44B示出了根据实施方案的示意性二维能量空间图，其示出了磨损监控装置中的监控原子的活化能水平，磨损监控装置具有通过物理屏障与基板分离的监控原子的储库。
图45示出了根据实施方案的示意性二维能量空间图，其示出了磨损监控装置中的监控原子的活化能水平，磨损监控装置具有在监控原子的储库和监控区域之间的能垒。
图46示出了根据实施方案的磨损监控装置，其被配置为基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中该装置具有通过物理屏障与基板分离的监控原子的储库，并且在监控原子的储库和监视区域之间具有能垒。
图47示出了根据实施方案的磨损监控装置，其被配置为基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中该装置在监控原子的储库和监控区域之间具有能垒。
图48示出了根据实施方案的磨损监控装置，其配置成基于监控原子s的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中监控原子s的储库通过物理屏障与基板分离。
图49A示出了根据实施方案的磨损监控装置，其配置成基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中该装置在监控原子的储库和监控区域之间具有能垒。
图49B示出了根据实施方案应用于图49A中所示的磨损监控装置的储库的示例性电刺激的横截面图。
图49C示出了由图49B中所示的电脉冲产生的模拟电流密度分布的横截面图。
图49D示出了由焦耳加热产生的模拟热分布的横截面图。
图49E示出了由图49B所示的电脉冲产生的模拟碰撞电离的横截面图。
图49F示出了由图49B中所示的电脉冲产生的模拟电位梯度的横截面图。
图50A示出了根据实施方案的磨损监控装置的剖视图，该磨损监控装置被配置为基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括多个监控结构。
图50B示出了根据实施方案具有电流供应晶体管的示例性控制电路，该电流供应晶体管电连接到并配置成将电刺激供应到图50A所示的磨损监控装置。
图51A示出了根据实施方案的磨损监控装置的横截面图(上图)和俯视平面图(下图)，该磨损监控装置被配置为基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示。
图51B示出了根据一些其他实施例的磨损监控装置的剖视图，该磨损监控装置被配置为记录核心电路的磨损指示。
图52示出了根据实施方案的磨损监控装置的俯视平面图，该磨损监控装置被配置为基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括具有多个行的阵列。
图53示出了根据实施方案的磨损监控装置的俯视平面图，该磨损监控装置被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括具有多个监控结构的阵列，所述多个监控结构布置在距参考点或中心位置不同的径向距离处。
图54A和54B示出了根据实施方案的磨损监控装置的横截面图和俯视平面图，该磨损监控装置被配置成基于监控原子在径向向外方向上的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示。
图55A示出了根据实施方案的磨损监控装置的平面图，该磨损监控装置被配置为基于径向向内方向上的局部原子扩散记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括包括屏障的多个监控结构。
图55B示出了根据实施方案的磨损监控装置的平面图，该磨损监控装置被配置为基于径向向内方向上的局部原子扩散记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括多个监控结构，每个监控结构包括不同的屏障。
图55C示出了根据实施方案的磨损监控装置的平面图，该磨损监控装置被配置为基于径向向内方向上的局部原子扩散记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括多个监控结构，每个监控结构包括不同的屏障和不同的储库。
图56A示出了根据实施方案的磨损监控装置的剖视图，该磨损监控装置被配置为基于横向上的局部原子扩散记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括包括屏障和不同配置的监控区域的多个监控结构。
图56B示出了根据实施方案图56A中所示的磨损监控装置，其进一步示出了与磨损监控装置的不同区域的电连接。
图56C示出了根据实施方案图56A中所示的磨损监控装置的等效电路图，其被配置为通过将电刺激单独地施加到储库和每个监控区域之间的屏障的相应区域来初始化。
图56D示出了根据实施方案的感测电路的一个示例性实施例，该感测电路电连接到图56A所示的磨损监控装置，其配置成测量监控区域的电特性的变化。
图56E示出了根据实施方案的磨损监控装置的剖视图，该磨损监控装置被配置为基于横向上的局部原子扩散记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置包括共同连接到储库的两组监控区域。
图57示出了根据实施方案的磨损监控装置的剖视图，该磨损监控装置被配置为基于局部原子扩散记录核心电路的磨损指示，其中监控原子的多个储库被配置为丝焊。
图58示出了根据实施方案的磨损监控装置的横截面视图，该磨损监控装置被配置为基于局部原子扩散记录核心电路的磨损指示，其中监控原子的多个储库被配置为不同的焊线。
图59示出了根据实施方案的多个磨损监控装置的平面图，所述磨损监控装置作为封装级集成系统的一部分嵌入或合并，以及包括要受保护的核心电路的其他无源/分立元件和/或微处理器。
图60A示出了根据实施方案的封装级集成系统的横截面图，该封装级集成系统包括多个磨损监控装置，其嵌入或结合有其他无源/分立元件和/或包括待保护的核心电路的微处理器，其中屏障由配置成由光子改变的材料形成。
图60B示出了根据实施方案安装在另一系统上的图60A所示的系统，该系统包括控制和/或感测电路。
图61示出了根据实施方案的磨损监控装置，其配置成基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中该指示基于监控区域与监控原子的储库之间的相互扩散。
图62A示出了根据实施方案的磨损监控装置，其被配置为基于监控原子的局部原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中该指示基于监控区域与监控原子的储库之间的相互扩散。
图62B示出了根据实施方案图62A中所示的磨损监控装置的近视图，该磨损监控装置电连接到感测电路，该感测电路被配置成检测与由原子的相互扩散产生的对储库的结构修改相关联的电特征。
图63A-63D示出了根据实施方案的磨损监控装置的横截面视图，该磨损监控装置被配置成使得基于原子的相互扩散的电子签名可用于测量核心电路的磨损。
图64A示出了由累积等效常数热磨损应力产生的监控原子的浓度分布。
图64B示出了由累积时变热磨损应力产生的监控原子的浓度分布。
图65是比较温度波动与平均温度和移动平均温度的曲线图
图66A-66C是根据一些实施例的温度传感器的示意图。
图67是根据一些其他实施例的温度传感器的示意图。
图68是根据实施方案的温度传感器的示意图，该温度传感器包括用于沿着传感器的主体迁移扩散材料的外部电压源。
图69是根据实施方案示意性地示出传感器内的掺杂剂密度的示意图。
图70A示意性地示出了根据一个实施例的作为传感器内的距离的函数的渐变(阶梯式)掺杂浓度分布。
图70B示意性地示出了作为对应于图14a的掺杂浓度分布的距离的函数的电场。
图70C示意性地示出了对应于图14a的掺杂浓度分布的电位。
图71示意性地示出了在电场的影响下作为时间函数的材料的扩散区域的迁移。
图72是显示扩散和漂移的组合效果的图。
图73是根据实施方案的读取结构的剖视图。
图74是图17的读取结构的平面图。
图75是图17的读取结构沿线AA'的横截面。
图76是根据实施方案替代读取结构的平面图。
图77示出了根据实施方案用于隔离从第一区域提供溶质的材料的第一种布置。
图78示出了根据实施方案用于将溶质与第一区域隔离的第二种布置。
图79是根据实施方案与本公开的传感器一起使用的数据采集电路的示意图。
图80示出了根据实施方案承载本公开的实施例的管芯，其与芯片级封装中的功能电路共同封装。
图81是根据实施方案构成本公开的实施例的浓度传感器的平面图。
图82示出了根据实施方案具有清除/重置功能的实施例。
图83示出了根据实施方案的磨损监控装置，其被配置用于核心电路的磨损的时间分辨监控。
图84示出了根据实施方案的磨损监控装置，该磨损监控装置被配置用于核心电路的磨损的时间分辨监控。
图85示出了根据实施方案的多个磨损监控器，根据应用，可以使用上述不同特征的组合来启用和协调磨损监控装置的不同磨损监控装置。
图86示出了根据实施方案的多个磨损监控器排列成阵列，其中访问单独的扩散监控装置可以通过熔丝协调实施方式。
图87示出了根据实施方案的磨损监控器的布置，其包括多个磨损监控器或区域，每个区域连接到晶体管和用于时间分辨监控的感测电路。
图88示出了根据实施方案的磨损监控器，其包括多个储库，每个储库包括通过屏障与基板分离的监控原子。
图89示出了根据实施方案的磨损监控器，其包括基板，该基板上形成有监控原子的储库和用于时间分辨监控的多个电极，其中基板连接到“快进”和/或“倒带”电路，用于横向扩散监控原子。
图90示出了根据实施方案的磨损监控器，其包括基板，该基板上形成有监控原子的储库和用于时间分辨监控的多个电极，其中电极连接到反向偏置泄漏多路复用测量电路。
图91示出了根据实施方案连接到反向偏置泄漏多路复用测量电路的电极，该测量电路包括用于差分测量的参考结构。
图92示出了根据实施方案的磨损监控器，其包括基板，该基板上形成有监控原子的储库和用于时间分辨监控的多个电极，其中多个监控MOS晶体管的栅极用作电极。
图93示出了根据实施方案的磨损监控器，其包括基板，该基板上形成有监控原子的储库和用于时间分辨监控的多个电极，其中多个监控MOS晶体管的栅极用作电极。
图94示出了根据实施方案连接到反向偏置泄漏多路复用测量电路的电极，该测量电路包括用于差分测量的参考结构，其中测量电路被配置为测量反向偏置恢复电流。
图95A示出了根据实施方案的感测电路，其被配置为测量反向偏置恢复电流并且包括用于监视核心电路的磨损的监控二极管。
图95B示出了使用图96A所示的感测电路，当监视二极管从正向偏置配置切换到反向偏置配置时的测量电流。
图96A示出了包括参考二极管的感测电路，其没有杂质扩散到其中。
图96B示出了使用图96A所示的感测电路，当图96A的参考二极管从正向偏置配置切换到反向偏置配置时测量的电流。
图97示出了具有监控原子的磨损监控装置，其适于在监控区域中扩散时具有电荷状态，并且被配置为将电场施加到监控区域，使得当电场施加到在其中扩散有监控原子的监控区域时，电场使监控原子从监控区域扩散并返回到储库。
图98示出了根据实施方案包括感测和/或控制电路的系统，该电路和/或控制电路电连接到图97中所示的磨损监控装置的各个区域。
图99示出了根据实施方案配置用于监测核心电路磨损的传感器网络系统。
图100示出了根据实施方案通信地耦合到上游系统的传感器网络。
图101示出了根据实施方案通信地耦合到云托管服务的传感器网络。
图102示出了根据实施方案的传感器网络，其中传感器被配置为通过直接与私人服务器或托管服务通信来收集数据。
图103示出了根据实施方案可以对各种磨损监控装置进行的各种物理和电气连接，以便集成到传感器网络系统中。
图104示出了根据实施方案基于磨损监控装置的示例传感器网络系统。
图105示出了根据实施方案与托管服务通信耦合的传感器网络。
图106示出了根据实施方案与托管服务通信耦合的传感器网络。
具体实施方式
某些实施例的以下详细描述呈现了特定实施例的各种描述。然而，这里描述的创新可以以多种不同的方式实现，例如，如权利要求所定义和覆盖的。在本说明书中，参考附图，其中相同的附图标记可表示基本相同或功能相似的元件。应当理解，图中所示的元件不一定按比例绘制。此外，应当理解，某些实施例可以包括比图中所示的元件更多的元件和/或图中所示的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。这里提供的标题仅是为了方便，并不一定影响权利要求的范围或含义。
如本文所述，IC器件的磨损是指由使用或环境因素引起的IC器件的任何组件或子组件的退化现象。如本文所公开的，根据实施方案的磨损监控装置可以监测核心电路的磨损、有或没有电源，并且能够监测相对大范围的物理条件。另外，根据本文公开的实施方案的磨损监控器可以在与IC的核心电路相同的基板中集成，例如，单片集成。根据实施方案，磨损监控装置利用扩散区域内或扩散区域内的扩散剂的扩散来记录核心装置的磨损指示。也就是说，实施例利用扩散区域(在本文中也称为监视区域)中的某些扩散原子(这里也称为监控原子)的原子扩散，所述扩散区域例如可以是半导体基板(例如硅基板)中的区域，用于监视、记录和存储与产品寿命期间的磨损机制(例如，温度、电压、电流或其任何组合)相关的电气特征。监控原子可以集成为磨损监控装置的一部分，其中由磨损应力引起的监控原子的净运动，例如，从储库到与储库通信的扩散区域，改变磨损监控装置的电气特征。可以在产品的使用寿命期间的任何时刻监控电气特征，以量化IC中的核心设备的磨损程度。由于监控原子的运动可以在没有单独的电源的情况下发生，因此磨损监控装置可以被认为是“被动的”。
本公开的实施例可以提供许多优点。例如，可以在没有电源的情况下记录与IC器件在其寿命期间的磨损状态相关联的电气特征，因为监控装置的有效“电源”由掺杂剂浓度的浓度梯度提供，其提供了监控原子扩散的驱动力。可选地或另外地，监控原子的移动(其可以是不可逆的)提供了一种方法来“记录”产品在一段时间内暴露的累积应力。可选地或另外地，因为扩散机构可以在超出普通传感器及其支撑电路的工作温度的宽范围的条件下工作，所公开的磨损监控装置可以在相对极端的条件下提供累积应力的特征。可选地或另外地，可以有利地选择合适的监控原子作为扩散物质，结合选择合适的装置几何形状来监测不同条件下(在不同的温度和电场范围内不同的时间段)的不同磨损效应。在某些实施例中，参考装置可用于提供参考“初始条件”，可以对其进行定量监测监控原子的时间演变，以及区分漂移和噪声，以提高磨损监控装置的准确性。例如，除了在半导体基板中基本上不扩散的“传统”掺杂剂(例如，硅中的p型掺杂剂B和n型掺杂剂P和As)之外，磨损监控装置可具有基本上在基板中扩散的监控原子(下文公开)，而参考装置可以省略监控原子，这样参考装置提供了一个半永久性的“初始条件”，其可以作为监控原子在磨损条件下演化的浓度分布来提供。
图1是曲线图10，示意性地示出了对于给定的类似制造的IC器件群，不同故障机制相对于时间(x轴)的故障率(y轴)。磨损失效机制一般可分为三类：早期“婴儿死亡率”故障，其故障率在早期阶段占主导地位，在设备服务时间内降低，由故障率曲线16表示；随机故障，其故障率相对独立于设备服务时间，由故障率曲线14表示；和由故障率曲线12表示其故障率在设备服务时间内增加的故障和磨损故障。观察到的总体故障率曲线18(有时称为“浴盆曲线”)可以由三个故障率曲线12、14和16的总和表示，并且可以描述为具有三个区域：降低故障率区域，接着是相对恒定故障率区域，接着是增加故障率区域。
随着晶圆厂几何结构/结构在特征尺寸(例如，关键光刻尺寸)上不断缩小，已经观察到恒定失效区域的相对持续时间减小，并且在越来越多的服务时间内达到由磨损故障主导的增加的故障区域。基于这种观察，随着特征尺寸的减小，越来越需要能够识别半导体管芯内可能处于磨损失效阶段的组件、子组件或结构，并足够早地标记它们，以便在发生灾难性故障之前采取适当的措施。还需要能够实时监视现场IC设备的实际任务配置文件/操作条件(与假设/理论相反)，并且在发生偏差的情况下，能够标记以便采取适当的行动。
包括磨损监控装置的IC设备
图2A和2B示出了根据各种实施例的集成电路(IC)装置20a和20b，每个装置包括磨损监控装置24a/24b，例如片上磨损监控装置。每个IC装置20a和20b具有核心电路22a/22b和磨损监控装置24a/24b，用于监测各种类型的累积应力(例如，温度、电压、电流等或其任何组合)。在各种实施方案中，磨损监控装置24a/24b被配置为无论核心电路是否被激活，都调整核心电路22a/22b的磨损指示。在一些实施方案中，核心电路22a/22b和磨损监控装置24a/24b形成在IC装置20a和20b的共同的半导体基板中，使得它们可以经受共同的磨损应力。例如，为了监测热磨损，在共同基板中形成的核心电路22a/22b和监控装置24a/24b可以彼此热连通。为了监测电气磨损，形成在共同基板中的核心电路22a/22b和监控装置24a/24b可以彼此紧密地电连接并使用类似的工艺制造。为了监测机械磨损，在共同基板中形成的核心电路22a/22b和监控装置24a/24b可以经受类似的机械应力，例如伸长、弯曲、热膨胀等。结果，监控装置24a/24b所经历的累积物理应力代表核心电路22a/22b所经历的累积物理应力。每个IC装置20a和20b包括耦合到磨损监控装置24a/24b的感测电路26a/26b。与图2A的IC装置20a不同，图2B的IC装置20b还具有电感连接到感测电路26b的参考装置28b，用于定量确定核心电路22b中的装置的磨损状态。
如本文和整个说明书中所述，应当理解，制造IC装置的半导体基板可以以多种方式实现，包括但不限于掺杂的半导体基板，可以由元素IV族材料(如Si、Ge、C或Sn)或由IV族材料(如SiGe、SiGeC、SiC、SiSn、SiSnC、GeSn等)形成的合金、III-V族化合物半导体材料(如GaAs、GaN、InAs等)或由III-V族材料形成的合金、II-VI族半导体材料(CdSe、CdS、ZnSe等)或由II-VI族材料形成的合金形成。半导体基板可以由诸如SiC的高温材料形成，用于监测温度预计超过约500℃的应用。
根据某些实施例，基板可以实施为绝缘体上的半导体，例如绝缘体上硅(SOI)基板。SOI基板通常包括硅-绝缘体-硅结构，其中使用诸如掩埋的SiO2层的绝缘层将上述各种结构与支撑基板隔离。另外，应当理解，本文所述的各种结构可以至少部分地形成在表面区域处或表面区域附近形成的外延层中。
磨损监控装置结构
图3A和3B示出了根据实施方案具有监控原子的磨损监控装置30a/30b，其响应于应力状态使扩散速率发生变化。磨损监控装置30a表示在受到磨损应力(例如热应力)之前的初始监控装置，并且磨损监控装置30b表示在受到磨损应力之后的监控装置。磨损监控装置30a/30b包括半导体材料32a/32b，例如掺杂有第一类掺杂剂(例如掺杂浓度为Nd的施主型掺杂剂)的半导体基板，以及监控原子34a，例如受体-掺杂剂浓度为Na。监控原子34a被配置成在磨损应力下扩散到半导体材料32a中或扩散到半导体材料32a中，并且监控原子34a扩散的速率根据磨损应力的水平而变化。
参照图3A，通过初始磨损监控装置结构30a的截面AA'的初始示意性浓度分布36a示出了监控原子Na在垂直方向(x)上的相对突然的浓度分布。参照图3B，在初始磨损装置结构30a(图3A)经受磨损应力(例如，热磨损应力)之后，监控原子34a扩散到半导体材料32a中，导致后应力磨损监控装置结构30b(图3B)，其中监控原子34b已扩散到半导体材料32b中。通过后应力磨损监视装置结构30b的截面BB'得到的示意性浓度分布36b示出了在垂直方向(x)上Na的相对扩散的浓度分布。如下所述，可以使用各种方法电检测监控原子Na的浓度分布的变化。由磨损监控装置30a上的累积磨损应力引起的这种变化可以引起监控装置结构30a/30b的电气特性的相应变化，核心电路22a/22b的磨损水平(图2A/2B)由此可以确定。
当然，在图3A和3B以及整个说明书中，应当理解，虽然监控原子34a可以表示为受主型掺杂剂，但实施例不限于此。监控原子可以是施主型掺杂剂，或者根本不是掺杂剂，而是杂质。此外，除了掺杂剂之外，还可以存在监控原子34a，掺杂剂可以是受主型或施主型掺杂剂。
在图3A/3B和整个说明书中将进一步理解，监控原子34a可包括一种或多种化学元素。
图4A示出了根据实施方案的磨损监控装置40。磨损监控装置40包括掺杂有第一类型掺杂剂(例如施主)的半导体基板42，其浓度为Nd，以及具有浓度Na的监控原子44。通过截面CC'的示意性初始浓度分布46a显示Na在垂直方向(x)上的相对突然的浓度分布，而通过截面CC'的示意性后应力浓度分布46b显示Na在垂直方向(x)上的相对扩散的浓度分布。在具体示出的实施例中，模拟的监控原子44是在125℃下在硅中扩散的磷原子。
图4B是根据实施方案计算的图4A的监控装置40的监控原子44的计算出的浓度分布的曲线图48。在描述的实施方案中，计算出的浓度是硅中的磷(P)原子在扩散104年至107年的不同时间后的浓度，其中x轴表示图4A的示意性浓度分布46a和46b的x轴，其中原点对应于Nd轮廓和浓度分布46a的Na轮廓之间的初始界面。如图表48所示，由于在125℃下Si在P中的扩散速率相对较低，通过例如浓度降至初始浓度的约1％的扩散长度测量的明显扩散在10,000年后小于0.1nm。也就是说，根据计算，在某些情况下，例如理想条件下，磷可能不是用于监测热磨损应力下扩散速率变化的监控原子。
如图4A/4B所示，应当理解，为给定的扩散介质(例如，半导体基板)选择适当的监控原子对于有效的磨损监控装置是重要的。扩散系数可表示为：
Figure BDA0001897958180000271
发明人已经发现，选择监控原子/扩散介质组合以使扩散活化能(Ea)在一定范围内是理想的。例如，磷在硅中的扩散率由3.66eV的活化能激活，这导致磨损监控装置在理想情况下用作热应力监测器可能是不切实际的，如上所述。为了说明的目的并且不受参数的任何理论或精度的约束，硅中所选原子的扩散率如表1中所列：
表1.结晶Si中所选原子和分子的扩散系数
Figure BDA0001897958180000272
Figure BDA0001897958180000281
发明人已经发现，扩散率的活化能Ea可以是用于选择在磨损监控装置的根据实施方案中使用的监控原子的一个标准。在一些实施方案中，该监控原子在半导体基板中具有约0.5eV至约3.5eV之间、约0.75eV至约2.5eV之间、或约1.0eV至约1.6eV之间的扩散活化能，取决于预期的热和/或电磨损应力。基于上面的表1，合适的原子可包括Al、Co、Pt、S、Ni、Ag、Zn、Au、Cr、Cu、Fe、Na和K，仅举几个例子。此外，在某些实施例中，合适的监控原子可包括两个或更多个元件。例如，监控原子可以包括以下元素中的两种或更多种：Al、Co、Pt、S、Ni、Ag、Zn、Au、Cr、Cu、Fe、Na或K。
举例来说，图5A-5D示出了在75℃、100℃和125℃的温度下，金(Au)在硅中的浓度分布的时间演变，持续时间为1年至10年。参考图5A，示出了类似于图4A的磨损监控装置结构40的磨损监控装置结构(未示出)的示意性初始浓度分布50a和示意性后应力浓度分布50b。与图4A的示意性浓度分布46a和46b不同，其监控原子是具有3.66eV的活化能的磷(P)原子，示意性浓度分布50a和50b代表其中监控原子是金(Au)的那些原子。参考图5B-5D，曲线图52、54和56分别示出了在从1年到10年的不同时间扩散后在75℃、100℃和125℃下计算的硅中金的浓度分布，其中x轴表示垂直漫射方向，类似于通过图4A的截面CC'的x方向，并且其中原点对应于Nd轮廓和Na轮廓之间的初始界面。如曲线图52、54和56所示，Au在75℃、100℃和125℃的温度下具有Si中的扩散速率，这对于监测热应力下的扩散速率的变化更为实用。例如，对于Au，在75℃和125℃下约10年后，浓度降至初始浓度的约1％的扩散长度分别在约160nm和约1600nm之间。也就是说，基于图5B-5D，Si中的Au可以是更实用的扩散系统，用于监测热磨损应力下扩散速率的变化。
图6A示出了根据实施方案的磨损监控装置60，其具有在基板中具有在约0.5eV和约3.5eV之间的扩散活化能的监控原子。图6B是图6A的虚线框中的区域的近视图。类似于图2A和2B的IC器件20A和20B，磨损监控装置60包括半导体基板62和配置成在其中扩散的监控原子，其中监控原子被配置成使得应力状态导致监控原子在半导体基板62中扩散的速率发生变化。
磨损监控装置60包括掺杂有第一掺杂类型的第一掺杂区域64，其可以是n型或p型。在图6A/6B所示的实施例中，第一掺杂区域64是重掺杂的p掺杂区域，例如重掺杂(p+)区域。
磨损监控装置60另外包括第二掺杂区域66，其掺杂有与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型，即，当第一掺杂区域64是n掺杂时，第二掺杂区域是p掺杂，反之亦然。在描述的实施方案中，第二掺杂区域66是n掺杂区域，例如，重掺杂(n+)区域。
在一些实施方案中，磨损监控装置60还可以包括插入在第一和第二掺杂区域64、66之间的插入区域65，其以第一或第二掺杂剂类型掺杂，其用第一或第二掺杂剂类型掺杂，其浓度基本上低于第一或第二掺杂区域64或66。在描述的实施方案中，中间区域65是p掺杂区域。因此，磨损监控装置60可包括第一和第二掺杂区域64和66以及配置为P+PN+或结构的居间区域65。
图6C是示出沿图6B的截面DD'的掺杂剂分布的图。轮廓67a和67c分别表示第一和第二掺杂区域64、66的p型和n型掺杂物轮廓。另外，轮廓67b是基板62的p型掺杂剂轮廓。
图6A和6B的磨损监控装置60的掺杂区域仅作为示例示出，并且其他实施例是可能的，其中第一和第二掺杂区域64和66分别被掺杂使得掺杂第一区域64以形成P+、P、P-、N+、N或N-区域中的任何一个，而掺杂第二掺杂区域66以形成与第一掺杂区域64的掺杂剂类型相反的P+、P、P-、N+、N或N-区域中的任何一个。
当介入区域65存在于第一和第二掺杂区域64和66之间时，可以形成N+NP结构、N+N-P或N+IP结构、NN-P结构、NIP结构、P+PN结构,P+P-N结构、P+IN结构、PP-N结构或PIN结构中的任何一个。
如本文和整个公开所述，掺杂区域通常可具有约1×1013cm-3至约1×1022cm-3的峰值掺杂剂浓度。另外，表示为N+或P+区域的重掺杂区域可具有超过约1×1018cm-3或约1×1019cm-3的峰值掺杂浓度。另外，表示为N-或P-区的轻掺杂区域可具有低于约1×1014cm-3或约1×1013cm-3的峰值掺杂浓度。
在图6A的磨损监控装置60中，通过在介电层63中形成的开口注入掺杂剂，例如p型掺杂剂，形成第一掺杂区域64，然而，实施例不限于此。例如，除了使用介电层63作为注入掩模之外，可以使用其他掩模(例如，光致抗蚀剂)和掺杂(例如，扩散)技术。
返回参考图6A/6B，磨损监控装置60另外包括通过介电层63中的开口分别接触第一掺杂区域64和第二掺杂区域66的第一电极68a和第二电极68b。在描述的实施方案中，第一电极68a包括或由监控原子形成，并且用作监控原子的储库。第一电极68a被配置成使得当磨损监控装置经受预定持续时间的一组预定条件时，第一电极68a中的一些监控原子扩散到在第一和第二掺杂区域64、66之间形成的耗尽区域。根据下面的半导体材料中的扩散的监控原子的浓度和/或深度，例如在耗尽区域中，可以至少间接地确定装置60的累积磨损历史(例如累积的热磨损历史)。
作为示例，图6C是曲线图69，示出了在125℃下扩散不同时间之后，在图6A/6B中的磨损监控装置的硅器件基板中计算的金的浓度分布。特别地，浓度分布67d说明了在125℃下扩散1-10年后金的预测浓度分布。通过获得关于耗尽区中掺杂剂的深度和/或浓度的信息，并使用诸如表1中的已知扩散率方程，可以获得累积热历史或热磨损水平。
应当理解，根据实施方案，选择第一掺杂区域64、第二掺杂区域66和居间区域65的掺杂剂的浓度和尺寸/配置，使得获得期望的装置属性。例如，在描述的实施方案中，因为与第二掺杂区域66相比，中间区域65被掺杂到较低的浓度，所以在其中形成相对较大的耗尽区域。当监控原子扩散到耗尽区时，可以使耗尽区的各种电特性在质量和/或定量上确定监控原子在耗尽区中的相对浓度，如下面更详细地讨论的。因此，耗尽可以用作监视区域，用于量化可能已经扩散的监控原子的量，由此可以确定累积的热历史。
因此，如所配置的，图6A/6B的磨损监控装置60具有设置在基板表面上的监控原子(例如，第一电极68a)的储库和形成在基板中的监控区域(例如，中间层65中的耗尽区)。监控原子在基板的半导体材料中具有扩散特性，使得当磨损监控装置经受一组预定的应力状态达预定的持续时间时，一些监控原子扩散到监控区域中。储库可包括例如包含监控原子的电极或由监控原子形成的层。监视区域可以包括基板中的区域，例如，由如上所述的PN结形成的耗尽区域。
包括图6A/6B的磨损监控装置60的磨损监控装置的各种实施例被配置成使得可以测量与监控区域中监控原子的存在相关联的电气特性或电气特征。电特征可以是例如以下中的任何一个或多个：结泄漏、结电容、结内置电位、结反向恢复时间、双极基极传输时间(fT)、金属氧化物半导体(MOS)晶体管阈值电压、MOS晶体管亚阈值摆幅、MOS沟道泄漏、穿通击穿电压(BV)和碰撞电离击穿电压(BV)，仅举几例。
使得一些监控原子扩散到监视区域中的该组预定应力状态和预定持续时间可包括例如约20℃至约250℃之间、约50℃至约200℃之间或约75℃至约125℃之间的温度范围；电场，例如，在0.01MV/cm和约1000MV/cm之间、在约0.1MV/cm和约100MV/cm之间、或在约1MV/cm和约10MV/cm之间；持续时间，例如，约1天至约1000年、约1个月至约100年、或约1年至10年。在一些实施方案中，磨损监控装置可以被配置成使得其上设置有监控原子的表面与监控区域之间的距离可以是被计算为扩散长度的任何距离，例如，在该距离处基于预定条件和预定持续时间的组合，浓度降低至峰值表面浓度的约1/e。
返回参考图2B，在一些实施方案中，一些IC器件包括在同一半导体基板上的监测装置和参考装置。图7A和7B示出了根据这些实施例的磨损监控装置60和参考装置70。图7A的磨损监控装置60与图6A/6B的磨损监控装置60类似或基本相同，不同之处在于第一电极68a和第一掺杂区域66相对于第二电极68b的相对位置，其变化不改变磨损监控装置60的操作，因此这里省略了磨损监控装置60的详细描述。除了电极之外，图7B的参考装置70与图7A的磨损监控装置60类似或基本相同。
参考装置70包括形成第二PN结的第一和第二掺杂区域64、66，类似于上面关于图6A/6B描述的磨损监控装置60的PN结。参考装置70的第一电极78a可以由具有与图7A的第一电极68a的监控原子不同的扩散特性的材料形成。可以使用监控原子和第一电极78a的电极材料之间的扩散特性的差异来确定IC中被监测器件的磨损水平。一旦制造，参考装置70的第一电极78a的原子在图7A的监控装置60中监控原子扩散的条件下基本上不会扩散到下面的半导体材料中。例如，参考装置70的第一电极78a可以由重掺杂的多晶硅、钨、W、TiN、WN、TaN、TaCN、NiSi、WSi等形成，仅举几个例子。也就是说，当包括磨损监控装置60和参考装置70两者的IC装置受到磨损应力时，磨损监控装置60的监控原子具有足够的扩散长度，使得它们扩散到下面的半导体材料中，例如，进入PN结中形成的耗尽区。相反，参考装置70的第一电极78a的原子具有可忽略的扩散长度(例如，小于几埃)，使得在IC器件受到磨损应力后下面的半导体材料基本上没有第一电极78a的原子。
因此，在图7A和7B所示的实施例中，除了相应的第一电极78a、68a的材料之外，IC器件中还集成了类似地(例如基本相同)参考装置70和磨损监控装置60。例如，磨损监控装置60和参考装置70中的每一个包括PN结，例如P+PN+结或N+NP+结，其是在其中形成有耗尽区的结，与之相关的电信号可以使用各种技术检测扩散到其上的监控原子，例如反向偏置泄漏。然而，其他实施例也是可能的。例如，相应的第二电极78b、68b的材料可以代替相应的第一电极78a、68a或者除了相应的第一电极78a、68a之外是不同的。例如，第二电极78b可以包含监控原子代替第一电极78a或者除了第一电极78a之外还包含监控原子。
如上面关于图2A和2B的实施例所述，根据一些实施例，监控原子虽然被配置成扩散到下面的半导体材料中，但也可以集成在也具有核心电路和/或参考装置的IC的同一基板中。然而，如果没有适当的预防措施，监控原子可能不期望地从磨损监控装置扩散到IC的其他部分，例如核心电路和/或参考装置。另外，由于晶体缺陷(例如晶界、位错或界面)的存在，一些监控原子可能比基于体扩散的预期速度更快地扩散。然而，已知许多监控原子会严重降低半导体器件的性能。例如，已知许多可能是监控原子的良好候选物的金属，例如金和铜，在硅中形成所谓的中间隙或深能级陷阱。中间隙中心或深能级陷阱占据半导体材料带隙中间附近的能态。在操作中，当在核心电路中的半导体器件中产生过量的少数载流子，例如p型半导体区域中的电子或n型半导体区域中的空穴时，由于监控原子的意外存在而产生的中间间隙中心可能通过降低少数载流子寿命和增加泄漏等因素而对器件性能产生不利影响。另外，参考装置中监控原子的存在可能会破坏其作为参考装置的目的。因此，在各种实施方案中，可能希望阻止监控原子的扩散，使得它们不会对磨损监控装置外部的半导体装置产生不利影响。
参照6A/6B和7A/7B，为了限制监控原子从磨损监控装置到IC装置的其他部分的不希望的扩散，磨损监控装置60和参考装置70中的每一个可以在一侧或两侧横向地具有隔离区域61a，例如浅沟槽隔离区域。另外，磨损监控装置60和参考装置70中的每一个可以具有掩埋隔离区域61b，例如，绝缘体上硅(SOI)的掩埋氧化物(BOX)，在相邻隔离区域61a之间横向延伸，使得由隔离区域61a和61b形成的隔离槽包围第一和第二混合区域64和66以及居间区域65。隔离桶被配置为监控原子从磨损监控装置60无意间横向和垂直扩散到IC器件的其他部分，包括例如在同一基板中形成的核心电路中的参考装置70和/或设备(为清楚起见未示出，见图2A/2B)。
如上面关于图2A和2B所述，IC器件根据实施方案包括感测电路，用于感测与监控原子的原子相关联的电特征，并由此确定IC器件可能已经受到的磨损应力(例如，热或电磨损应力)的累积历史。例如，对于关于图6A/6B和7A/7B描述的磨损监控装置60和参考装置中的每一个，可以在第一电极68a、78a和第二电极68b、78b之间施加反向偏压，使得可以在PN结上测量反向偏置泄漏。通过比较磨损监控装置60和参考装置70之间的反向偏置电流，其可以与各个耗尽区域中的杂质原子的浓度成比例，可以确定核心电路中被监测装置的磨损程度。
参考图8，示出了根据一些其他实施例的磨损监控装置80。磨损监控装置80的结构特征类似于图6A/6B的磨损监控装置60的相应特征，因此这里省略了详细描述。磨损监控装置80被配置为用于监控的电流监控器，例如，与通过核心电路中的被监控结构的累积电流相关的磨损程度(为清楚起见未示出，参见图2A/2B)，其可以是核心电路中的类似设备。例如，通过将监控结构与被监控结构串联放置，可以监控通过被监控结构的累积电流。在描述的实施方案中，通过测量由磨损监控装置的焦耳加热引起的监控原子的扩散速率的影响来间接监测电流。在操作中，磨损监控装置80的PN结与被监控结构串联正向偏置，以重复产生基于电流的磨损应力。在图8中，发生焦耳加热的区域表示为与包含漫射材料(例如，Au)的第一电极68a和第二电极68b之间的正向偏置PN结串联形成的电阻器。响应于正向偏压，监控结构的串联电阻产生热量，该热量使第一电极68a中的监控原子扩散到下面的基板，例如在PN结中形成的耗尽区。虽然未示出，但是IC可以包括与图7B的参考装置70类似的参考装置(为清楚起见未示出，参见图2B)，其没有监测原子。或者，参考装置可以与磨损监控装置80类似或基本相同，除了它不配置成接收基于正向电流的磨损应力。随后，通过比较磨损监控装置80和参考装置之间的反向偏置电流，可以以与上述类似的方式由此确定被监控结构的磨损状态。
参考图9，示出了根据一些其他实施例的磨损监控装置90。磨损监控装置90被配置为电压监视器或电场监视器，用于监视例如施加到核心电路中的被监视设备的基于累积电场的磨损应力(为清楚起见未示出，参见图2A/2B)。磨损监控装置90的结构特征类似于图6A/6B的磨损监控装置60的相应特征，因此在此省略详细描述。磨损监控装置90被配置成与被监控装置反向偏置和电连接，例如电并联，以接收由反向偏置PN结产生的电场的基于电场的磨损应力。响应于基于电场的磨损应力，可以使被监测的杂质原子(例如带电的杂质原子)扩散到被监视的区域，例如反向偏置的PN结的耗尽区域。IC器件可以包括类似于图7B的参考装置70的参考装置(为了清楚起见未示出，参见图2A/2B)，其没有监测扩散的原子。或者，参考装置可以与磨损监控装置90基本相同，除了它不配置为接收由反向偏置PN结引起的电场磨损应力。随后，通过比较磨损监控装置90和参考装置之间的反向偏置电流，可以由此确定被监控结构的磨损状态。
参考图10A和10B，示出了配置用于监测PN结的磨损水平的磨损监控装置100a/100b。图10A和10B表示在(100a)之前和(100b)之后的磨损监控装置受到与使用相关的磨损应力，例如重复的磨损应力。磨损监控装置100a/100b包括掺杂有第一掺杂类型(例如施主)至浓度Nd的第一掺杂区域102a/102b，以及掺杂有第二掺杂类型(例如受体)至浓度Na的第二掺杂区域104a/104b。第二掺杂区域104a/104b包括监控原子，其中监控原子被配置为扩散到下面的半导体材料中，例如扩散到PN结的耗尽区中。在一些实施方案中，除了具有浓度Na的受体原子之外，还可以存在监控原子。在其他实施例中，监控原子可以用作受主原子，使得具有浓度Na的受主原子可以至少部分地是监控原子。在其他实施例中，监控原子可以作为电极层的一部分存在，如上面参考图6A/6B所述。如上所述，磨损应力导致监控原子扩散到下面的半导体材料中的速率发生变化。通过初始磨损监控装置100a的截面DD'的初始示意性浓度分布106a示出了Na在垂直方向(x)上的相对突然的浓度分布。磨损监控装置100a可以经受磨损应力，例如图6A-6C中所描述的热磨损应力，如图8中所描述的正向偏压，和/或如图9中所述的反向偏压。在经受磨损应力之后，通过循环磨损监控装置100b的截面DD'的示意性浓度分布106b示出了在垂直方向(x)上Na的相对扩散的浓度分布。通过比较与浓度分布106a和106b相关联的电气特征(例如，反向偏压泄漏)，可以确定被监测结构106b的磨损状态。
图11A和11B示出了磨损监控装置110a/110b，其配置用于监控相邻重掺杂区域之间的穿通特性。如本文所述，穿通效应是指两个分离但相邻的重掺杂区域的耗尽区合并的现象。例如，在金属氧化物半导体(MOS)晶体管中，源极和漏极之间的穿通效应导致沟道电流随着漏极-源极电压的增加而快速增加，这可能是不期望的，因为发生穿通的电压可能限制IC器件的工作电压。图11A和11B表示在(110a)之前和(110b)之后经受与使用相关的磨损应力的磨损监控装置。磨损监控装置110a/110b包括第一重掺杂区域116a/116b，其可以是掩埋掺杂区域，其掺杂有第一掺杂类型(例如，施主)至浓度Nd，以及掺杂有第二掺杂剂类型(例如受体)至浓度为Na的第二重掺杂区域114a/114b。在一些实施方案中，除了具有浓度Na的受体原子之外，还可以存在监控原子。在其他实施例中，监控原子可以用作受主原子，使得具有浓度Na的受主原子可以至少部分地是监控原子。在其他实施例中，监控原子可以作为电极层的一部分存在，如上面参考图6A/6B所述。在监控结构重复循环之后，例如，通过重复地反向偏置第一重掺杂区域116a/116b和第二重掺杂区域114a/114b，第一重掺杂区域116a/116b与第二重掺杂区域114a/114b之间的有效宽度如图所示从W减小到W'，并且相关的电气特征(例如，穿通电压)可用于从中确定核心电路中被监测设备的磨损状态。
参照图12，示出了磨损监控装置120a/120b，其类似于图11A和11B的磨损监控装置110a/110b，并且被配置用于监控相邻重掺杂区域之间的穿通特性。然而，与图11A/11B的磨损监控装置110a/110b相反，第一重掺杂区域124a/126a和第二重掺杂区域124b/126b横向分离而不是垂直分离。监控原子可以以与上面关于图11A和11B的第二重掺杂区域114a/114b描述的类似方式存在于第一和第二重掺杂区域124a、124b中的一个或两个中。图12表示在(120a)之前和之后(120b)以与上文关于图11A和11B所述的类似方式经受与使用相关的磨损应力的磨损监控装置。以与上面参考图11A和11B描述的类似方式，第一重掺杂区域124a/126a和第二重掺杂区域124b/126b之间的有效宽度从W减小到W'，如图所示，以及相关的电气特征(例如，穿通电压)可用于从中确定被监测结构的磨损状态。
参照图13A和13B，示出了根据实施方案配置用于监测金属氧化物半导体(MOS)晶体管的沟道退化的磨损监控装置130a/130b。磨损监控装置130a/130b包括形成在半导体基板132中的源132和漏极134。磨损监控装置130a/130b还包括栅极电介质135和栅极136a/136b。图13A和13B表示在(130a)之前和(130b)之后经受与使用相关的磨损应力的磨损监控装置。磨损监控装置130a/130b可用于监控例如受监控装置的使用相关磨损(为清楚起见未示出，参见图2B)，其可以是核心电路中类似配置的MOS晶体管。在磨损监控装置130a/130b中，监控原子可以设置在配置为MOS晶体管的磨损监控装置130a/130b的源极132、漏极134或栅极136a/136b中的任何一个上。在以与被监测结构类似的方式经受磨损应力(例如，热应力或磨损监控装置130a/130b的重复循环)之后，可以确定被监测装置的磨损程度。例如，通过将已经经受磨损应力的磨损监控装置130b与参考装置(为清楚起见未示出，参见图2B)进行比较，该参考装置可以是未经过磨损应力的另一个监控结构，相关的电气特征可用于从中确定被监测结构130a/130b的磨损状态。例如，监控原子可以扩散到图13A的初始沟道区域138a中，以形成图13B的扩散沟道区域138b。例如，可以通过测量诸如电流-电压测量的晶体管参数来检测这种劣化。
参考图14A-14B，根据一些实施例，示出了制造磨损监控装置的方法。特别地，该方法涉及形成监控原子的储库。应当理解，直接接触一层监控原子(例如金层)会导致缺陷，例如由于粘附性差导致的接触不良和/或分层。不受任何理论束缚，这种缺陷可能是由一些扩散材料和半导体基板之间的相对高的界面能引起的。为了形成没有这种缺陷的这种杂质原子的储库，可以形成具有漫射材料的混合物层，而不是纯粹的漫射材料层。混合物可以是合金层、化合物、掺杂层或机械混合物、以及其他形式的混合物。
作为示例，图14A中示出了中间监控结构140a，其包括基板142，在其中形成由插入区域145插入的第一掺杂区域144和第二掺杂区域146，类似于上述关于图6A/6B的监控结构。与图6A/6B不同，不是直接在第一掺杂区域的表面上形成一层监控原子，例如金原子，而是粘附层149(例如多晶硅层)可以形成在监控原子的层148a和第一掺杂区域144的下面的半导体材料之间。随后，中间监控结构140a可以经受热退火，从而产生磨损监控装置140b，磨损监控装置140b具有粘附层，例如多晶硅层，粘附层被监控原子(例如金)浸渍或至少部分地饱和。由此形成用作监控原子的储库的电极148b，与监控原子的纯层相比，具有改善的与下面的硅的粘附性。其他实施例是可能的，例如，可以在硅表面上直接形成金和多晶硅的混合物层，或者可以使用另一种材料(例如介电材料或硫属化物材料，其可以保持具有良好粘附性能的相对高浓度的金)作为介入层149。可以理解，中间层和成形方法的具体组合可以取决于要使用的特定磨损扩散材料的类型和浓度。
参照图15A-15D，示出了根据实施方案包括PN结的磨损监控装置的各种配置150a-150d。在每个配置150a-150d中，PN结可以形成在基板152中。掺杂有第一掺杂类型的第一掺杂区域154a-154d接触用作监控原子的储库的第一电极158a-158d，而掺杂有第二掺杂类型的第二掺杂区域以各种配置形成。在配置150a-150d中，第二掺杂区域被配置为基板152(图15A)、形成在基板152中的阱155b(图15B)、形成在基板152中的掩埋集电极区156c(图15C)和形成在基板152中形成的阱155中的掩埋集电极区156d(图15D)。应当理解，可以改变第一和第二掺杂区域的掺杂剂浓度以定制监视器区域的特性，例如，定制其中形成的耗尽区的尺寸和/或以定制内置电压以及其他特征，如上所述。例如，在需要相对大的耗尽区的情况下，与储库接触的掺杂区可以被大量掺杂，而不与储库接触的掺杂区可以相对轻微地掺杂。
参见图16A-16D，示出了根据实施方案的磨损监控装置的各种配置，其中通过物理限制对基板的访问来控制扩散到下面的基板中的监控原子的通量或扩散速率。参照图16A，可以通过通过形成在基板上的介电掩模163限制开口的尺寸来限制用作监控原子的储库的第一电极168a与第一掺杂区域164a之间的接触面积(由宽度表示)，从而限制了监控原子扩散到基板中。参照图16B，除了限制穿过介电掩模163的开口的尺寸之外，还可以根据需要进一步增加或减少开口的数量。参照图16C，通过在形成于场氧化物区域之间或通过场氧化物区域形成的开口中形成另外的扩散阻挡层165(例如，氮化物层)，可以进一步减小第一电极之间的接触面积。参照图16D-16E，使用在第一电极168a-168d下面的作为监控原子的储库的粘合层169d-169g，进一步限制可用于扩散到下面的基板中的监控原子的通量。除了存在粘附层169d-169f之外，图16D、16E和16F的磨损监控装置160d、160e和160f分别与图16A、16B和16C的磨损监控装置160a、160b和160c基本相同，其可以由例如多晶硅形成，并且插入在相应的第一电极168a、168b和168c与相应的第一掺杂区域164a、164b和164c之间。参照图16G，通过在通过附加扩散阻挡层165形成的开口中形成间隔物167(例如，氮化物间隔物层)，可以进一步减小第一电极168c和第一掺杂区域164c之间的接触面积。
参照图17A和17B，根据实施方案示出了配置为双极结晶体管(BJT)的磨损监控装置170a和170b。掺杂有第一掺杂类型的第一掺杂区域174可以形成在表面区域并且被配置为BJT的发射极，该第一掺杂类型与用作杂质原子的储库的第一电极178a接触。掺杂有与第一掺杂剂类型相反的第二掺杂剂类型的第二掺杂区域175可以用作BJT的基极，该第二掺杂剂类型与第二电极178b接触。掺杂有第一掺杂类型的第三掺杂区176a和176b可以用作BJT的集电极，该第一掺杂类型与第三电极178c接触。在图17A中，集电极区域由深阱形成，而在图17B中，集电极区域由掩埋集电极区域形成。另外，在图17B中，掺杂有第一掺杂类型的掩埋区域可以形成在掺杂有第二掺杂类型的阱下方，从而形成BJT的基极/集电极结。这样形成的BJT可以配置用于监测由各种应力(包括热、电流和/或电压应力)引起的磨损。
参照图18A-18D，示出了配置为MOS晶体管的磨损监控装置180a-180d，根据实施方案其用于监控核心电路中的被监控结构的磨损(为清楚起见未示出，参见图2A/2B)，其可以是在相同基板上的其他地方的类似配置的MOS晶体管，例如在核心电路中。磨损监控装置180a-180d中的每一个包括形成在半导体基板182中的源极182和漏极184。磨损监控装置180a-180d中的每一个还包括栅极电介质185和栅极186a-186d。磨损监控装置180a-180d中的每一个具有用于设置监控原子的储库的不同配置。例如，监控原子可以作为单独的层189a(例如，多晶硅层)设置在栅极186a(图18A)上；作为单独的层189b(图18B)，例如，掺杂有漫射材料的掩埋氧化物，设置在栅极186b或者源极182和漏极184中的一个或两个上；作为直接在源极/漏极182/184上的监控原子层187c(图18C)；或者作为掺杂有形成在源极/漏极182/184上(图18D)的监控原子的储库层187d。当设置在门186a/186b上或作为门186a/186b的一部分时，磨损监控装置180a/180b可用于监测与阈值电压、亚阈值斜率、界面电荷、栅极电介质(例如时间相关的介电击穿)、关断状态泄漏、开/关比、热通道注入的降级有关的各种磨损机制。当设置在源极182和排出管184中的一个或两个上或作为其一部分或两者的一部分时，磨损监控装置180c/180d可以用于监控穿通、短沟道效应、结电容等。
参照图19A，示出了根据实施方案的磨损监控装置190a，其被配置用于感测阻抗作为磨损状态的指示器。磨损监控装置190a包括基板198，基板198中形成有监控结构194a和参考结构192，它们共同连接到第一端子T1。参考结构192还连接到第二端子T2并且具有掺杂有监控原子的杂质区域193。监控结构194a还连接到第三端子T3，并且具有掺杂有与参考结构192的杂质区域193相同的监控原子的杂质区域196a。虽然参考结构192的杂质区193被扩散屏障结构195包围，但监控结构194不存在这样的外壳。在一些实施方案中，杂质区193和杂质区193具有相同或相似的监控原子的浓度分布。在接收到磨损应力，例如热磨损应力时，监控结构194a的杂质区域196a与初始浓度相比以及与监控结构194a的杂质区域196a相比较，具有较低的监控原子浓度，与监控原子在杂质区193中的有限扩散相比，是由于监控原子在杂质区196a中的自由扩散。相反，参考结构192的杂质区192将具有相对不变的杂质原子浓度。核心电路中被监测设备的磨损程度(为清楚起见未示出，见图2A/2B)可以根据阻抗测量结果的变化来测量，这可以在小时间尺度和/或较低温度下解决监测杂质原子浓度的相对小的变化，从而使磨损监控装置190a特别适用于保质期应用。图19B示出了曲线图191，其示意性地示出了在T1和T2之间测量的参考结构192的阻抗Za的时间演变以及在T1和T3之间测量的监视结构196a的变化阻抗Zb(t)。如图所示，Za在接收到磨损应力后变化相对较小，而Zb(t)如图所示变化较大程度。基于Zb(t)的时间演变，可以确定核心电路中被监测设备的磨损状态。
参照图19C，根据实施方案示出了磨损监控装置190c，其构造成用于感测阻抗作为磨损状态的指示器。磨损监控装置190c基本上与图19A的磨损监控装置190a相同，不同之处在于在磨损监控装置190c中，监控结构194a的杂质区域196b被部分扩散屏障结构197部分地包围。部分扩散屏障结构197具有一个开口，使得监控原子从杂质区196b中扩散出来的部分受到限制。当监控原子的预期扩散相对较快时，这种配置可能是有益的，以防止监控原子的浓度或Zb(t)变化太快。
参照图19D，根据实施方案示出了用于感测阻抗作为磨损状态的指示器的磨损监控装置190d。与图19A的磨损监控装置190a和图19C的190c不同，磨损监控装置190d不具有离散的监控结构和参考结构。相反，磨损监控装置190d具有由屏障结构195d包围的监控区域194d和参考区域192d，这样参考区域192d中的监控原子被配置成横向扩散到监控区域194d中。
应当理解，磨损监控装置190a、190b和190d可以是有利的，除了其他原因之外，因为基于阻抗测量的磨损水平的确定不需要半导体结。结果，基板198的材料可以是任何合适的漫射介质，包括绝缘体(例如，SiO2、蓝宝石)或本文公开的任何半导体基板。因此，额外的自由度，即漫射介质，可用于设计监控装置。另外，因为防止监控原子至少从参考区域自由地扩散开，所以可能需要相对少量的监控原子。
用于磨损监控器的感测电路
在下文中，根据实施方案描述了可以包括在感测电路中用于感测与磨损监控装置s和参考装置相关联的各种电气特征的各种电路。应当理解，本文公开的各种电路中的每一个可以是以上关于图2A/2B描述的感测电路25a/25b的一部分。
图20A-21B示出了根据各种实施例的各种转换电路，其被配置用于将来自本文所述的磨损和/或参考监控装置的测量输入信号转换为输出信号。
图20A根据实施方案示出了穿孔磨损监控器转换电路200a，其被配置用于转换来自上述各种监控装置和参考装置的监控信号。特别地，转换电路200a可以被配置用于监控半导体器件的穿通特性。例如，转换电路200a可以电连接到磨损监控装置，该磨损监控装置被配置用于监控上述穿通特性，例如，参考图11A-11B和12A-12B。转换电路200a被配置成使得在预定的穿通电压之下，没有电流流过穿通监控装置202。当没有电流流过穿通装置202时，比较器204的+和-端子的电位相等。一旦发生穿通，比较器204被激活，并且电流流过穿通装置202。穿通电压通过DAC 206输出，DAC 206可以被记录。
图20B根据实施方案示出了阈值电压(Vth)磨损监控器转换电路200b，其被配置用于转换来自上述各种监控装置和参考装置的监控信号。特别地，转换电路200b可以被配置用于监视MOS器件的Vth变化特性。在操作中，电流源201b升高VT节点207(ADC输入)上的电压，直到电压饱和。如果从电流源201b输出恒定电流，则VT节点207处的电压饱和度根据晶体管208的Vth的变化而变化。Vth电压输出到ADC 205b并随时间记录。
图20C根据实施方案示出了二极管正向电压磨损监控器转换电路200c，其被配置用于转换来自上述各种监控装置和参考装置的监控信号。特别地，转换电路200c可以配置用于监控二极管的正向电压。在操作中，来自电流源201c的电流升高节点207上的电压(ADC输入)，直到电压饱和。如果从电流源201c输出恒定电流，则节点207处的饱和电压将随二极管203的正向电压而变化，其可以输出到ADC 205c并随时间记录。
图21A示出了根据一些实施例的转换电路210a，其被配置用于转换来自上述各种监控装置和参考装置的监控信号。在操作中，在第一阶段，转换电路210a被配置为监视节点214a处的磨损监控器212a上的电压。这是通过在第一阶段中使用第一放大器216和第一电阻器R1缓冲节点214a处的磨损监控装置212a的电压来实现的。在第二阶段中，节点217处的缓冲电压随后由第二放大器218a获得，并且随后在ADC 219a处被转换以用于输出。
图21B示出了根据一些实施例的转换电路210b，其被配置用于转换来自上述各种监控装置和参考装置的监控信号。在操作中，在第一阶段，转换电路210b被配置为通过首先对输入信号进行低通滤波，然后使用第一放大器218a获得，然后在ADC 219处转换输出，监视节点214b处的磨损监控器212b上的电压。
图22A根据实施方案示出了电容可编程增益放大器(PGA)电路220a，其被配置为比较磨损监控装置221a和参考装置221b之间的输出信号。PGA电路220a包括两个电流源222a和222b，其被配置为分别向磨损监控器221a和参考装置221b供应电流。PGA电路220a还包括连接到磨损监控装置221a和参考装置221b中的每一个的两个全差分电压模式电容放大器224和226。如图所示，PGA电路220a被配置为具有输出滤波器和缓冲器的斩波电容PGA，并且特别适用于放大磨损监控装置221a和参考装置221b的输出之间的小信号差异(
Figure BDA0001897958180000431
数十至数百nV)。
图22B根据实施方案示出了电容可编程增益放大器(PGA)电路220b，其被配置为比较包括二极管的磨损监控装置221c和包括二极管的参考装置221d之间的输出信号。与图22A的PGA电路220a不同，在PGA电路220b中，磨损监控装置221c和参考装置221d各自连接到公共参考电压Vref。类似于图22A的PGA电路220a，PGA电路220b被配置为具有输出滤波器和缓冲器的斩波电容PGA，并且特别适用于放大磨损监控装置221c和参考装置221d的输出之间的小信号差(～nV～100nV)。
图22C根据实施方案示出了电流-数字ADC转换电路220c，其被配置为比较包括二极管的磨损监控装置221e和包括二极管的参考装置之间的输出信号。出于说明的目的，在描述的实施方案中，ADC转换电路220c是128通道、电流-数字、模数转换器(ADC)。ADC转换电路220c包括128个低功率，低噪声，低输入电流积分器，同时采样和保持，以及两个具有可配置采样率和高达24位分辨率的高速、高分辨率ADC。转换后的通道结果在单个LVDS自时钟串行接口上输出，从而减少了外部硬件。SPI兼容串行接口允许使用SDI输入配置ADC。SDO输出允许用户在单个3线总线上以菊花链形式连接多个ADC。ADC电路220c可以使用单独的电源IOVDD来减少数字噪声对转换的影响。
图23A-23C根据实施方案分别示出了跨阻放大器(TIA)230a-230c，每个被配置为放大并将来自本文所述的各种磨损监控装置或参考装置的监控信号的电流输出转换为电压信号。在一些实施方案中，可以在磨损监控器具有比电压响应更线性的电流响应的情况下使用TIA。例如，图示的TIA 230a-230c可以与磨损监控器234一起使用，磨损监控器234包括二极管，例如光电二极管，其中电流响应可以在宽的光输入范围内具有比例如1％的线性更好的性能。TIA 230a-230c向磨损监控器234呈现低阻抗并将其与运算放大器的输出电压隔离。每个TIA 230a-230c具有处于反相配置的放大器232和反馈电阻器RF，其设置放大器232的增益，其值为-RF。TIA230a-230c中的每一个的输出可以由ADC转换。如下所述，每个TIA230a-230c特别适合于将磨损监控器的低电平电流转换为电压。
参考图23A，在操作中，磨损监控装置234连接在地和放大器232的反相输入之间。放大器232的非反相输入也连接到地。这为磨损监控装置234提供了低阻抗负载，其保持低偏压。放大器232的高增益使通过磨损监控装置234的电流保持等于通过RF的反馈电流。
参考图23B，TIA 230b类似于图23A的TIA 230a，除了TIA 230b在磨损监控装置234和地之间包括DC电源V1，例如电池，使得磨损监控器可以用正输出电压测量。例如，如果通过具有二极管的磨损监控装置234的反向偏置漏电流(ID)是5nA，并且RF是1MΩ，并且V偏压是＝-0.1V，则Vout＝5nA*1MΩ＝5mV。
参考图23C，TIA 230c类似于图23A的TIA 230a，除了TIA 230c包括在放大器232的非反相输入和地之间具有V偏压的DC电源V2，例如电池，这样可以用正输出电压测量磨损监控器。例如，如果通过具有二极管的磨损监控装置234的反向偏置漏电流为5nA，并且RF为1MΩ，并且V偏压＝+0.1V，则Vout＝(5nA*1MΩ)+0.1V＝105mV。
因此，由于监控装置234非常低而增益非常高，因此跨阻放大器(TIA)230a-230c具有输入偏移电压，使得它们允许测量和放大非常低的输入偏置电流(
Figure BDA0001897958180000441
+/-20fA)。
图24示出了根据一些实施例的具有阳极偏置复用的跨阻抗放大器(TIA)240，使得TIA放大器240被配置为放大并将来自监控装置234和参考装置236的监控信号的电流输出(ID1、ID2)转换成电压输出。有利地，由于监控装置234和参考装置235使用相同的V偏压和相同的放大器232，所以消除了电流输出(ID1、ID2)的转换误差。在操作中，TIA240可以是感测电路的前端的一部分。每个器件的输出可以由ADC转换，其结果可以存储，并且随后被减去以计算漏电流的差异。存储泄漏电流随时间的差异将跟踪例如磨损监控装置随时间暴露的温度。
终身指标系统
图25根据实施方案示出了具有一个或多个磨损监控装置的寿命指示器系统250。应当理解，这里公开的寿命指示器系统250可以是上面关于图2A/2B描述的感测电路25a/25b的一部分。
根据实施方案，多个不同的监控装置252a、252b，可以是形成在一个共同的平台上(例如，单个芯片或单个基板)的不同类型的磨损监控装置。一个或多个不同的监控装置252a、252b可以提供例如不同类型的磨损应力的并行和/或同时监控数据。在描述的实施方案中，一个或多个磨损监控装置包括温度磨损监控器252b和电压或电流磨损监控器252a。在操作中，一个或多个磨损装置252a、252b可以向相应的ADC 254a、254b提供并行和/或同时监测数据，其输出可以被馈送到公共处理器256中。同时，可以基于来自一个或多个磨损装置252a、252b中的每一个的监测数据生成相应的限制警报257a、257b。可以基于用户为各个监视器放置的各个最小值和最大值限制来预先建立每个限制警报257a、257b。寿命指示器系统250还可包括计时器255。处理器256被配置为从每个磨损监控装置250a、250b接收监控数据，并且或者基于来自个体磨损监控装置252a或252b的信息，或者通过组合来自多个监控装置252a、252b的信息，确定核心电路中相关核心电路装置的磨损程度(为清楚起见未详见，见图2A/2B)。因此，计算的磨损水平可以存储在存储器设备258中，例如，非易失性存储器设备中。在一些实施方式中，存储在存储器设备中的计算的磨损等级数据可以以加密的形式传输以用于保护。
在一些实施方案中，寿命指示器系统250可以被配置为供应电流磨损监控系统。许多IC故障是由供电电流模块的磨损引起的，例如配置用于提供待机或省电电流的供电电流模块。当电源电流因EOS、ESD、腐蚀和潜在缺陷引起的磨损而降低时，可能会发生故障。当配置为供电电流磨损监控系统时，磨损监控器252a可以配置为供电电流磨损监控器。当确实发生故障时，通过监视时间戳供应电流值并将它们记录在存储器258中，并“回放”导致故障的这种电流值，可以获得与故障原因有关的信息。
在其他实施例中，寿命指示器系统250可以被配置为设备故障监视系统，例如，用于监视依赖于电压、电流、温度，和/或时间的设备故障的晶体管设备磨损监视系统。这种磨损机制的实例包括由于热载流子注入(HCI)和负偏压温度不稳定性(NBTI)引起的磨损，已知这会对晶体管性能(速度和电压)产生负面影响。通过同时监测晶体管上的累积电压应力，同时还监测施加电压应力的温度，可以改善由这种机制引起的故障的磨损模型的准确性。
任务简介监控系统
任务简档通常描述作用在物品上的载荷和应力，例如实际使用中的部件、装置或系统。如本文所使用的，任务简档指的是该项目从指定任务的启动到完成经历指定时间的事件和环境的时间分段描述。事件和环境，例如负载和应力，包括例如温度、温度曲线、湿度、振动、电/磁场的变化、或这些因素的组合以及其他环境因素。在其性质、强度和暴露持续时间以及尽可能接近的混合物中指定相关应力可能是重要的。通过这些细节，可以在指定的精度内，对现场应用中的应用可靠性及其组件进行预测。
通常存在两种不同类型的任务简档。预定任务简档指的是在项目投入使用之前预先确定的任务简档，并且可以预编程到诸如非易失性存储设备之类的存储设备。相比之下，“智能”任务简档是不断发展的任务简档，其基于来自车载传感器(例如，磨损传感器)的输出随时间自我调整，其在实际操作条件下感测任务简档参数。因此，“智能”任务配置文件更接近地反映了组件、设备或系统在其生命周期中看到的实际情况。“智能”任务配置文件在特定任务配置文件未众所周知的应用中尤其重要，因为“智能”任务配置文件可以根据板载传感器的变化输出定期更新和改进。在下文中，根据实施方案描述了包括片上磨损传感器的任务轮廓监视系统。
参考图26，根据实施方案示出了包括一个或多个磨损传感器的任务简档监视系统260的框图，用于监视组件、设备或系统的任务简档。组件、设备或系统可以包括或电连接到核心电路(为清楚起见未示出，参见图2A/2B)。一个或多个磨损传感器2604可包括本文所述的任何磨损传感器中的一个或多个，包括配置成测量从温度、电压、电流、湿度、运动(例如振动)等的磨损的传感器。系统260被配置为在部件、装置或系统的寿命期间周期性地从磨损传感器2604生成测量输出数据2608。输出数据可以存储在第一存储/存储器组件2612中，第一存储/存储器组件2612可以是例如非易失性存储器设备或易失性存储器设备。存储的数据可以包括瞬时数据以及统计数据，例如平均数据和可变性数据。存储在第一存储/存储器组件2612中的随时间累积的输出数据构成“智能”任务简档2616。
系统260另外包括预定的任务简档2602，其包括可以用作参考简档的一组预定任务简档。预定的任务简档包括温度曲线2606、湿度曲线2610、偏置(电压)或电流曲线2614、激励曲线2618、振动曲线2622和寿命曲线2626以及其他曲线。预定任务简档2602可以存储在第二存储/存储器组件2630中，例如，非易失性存储器设备或易失性存储器设备。系统260另外包括建模模块2634，其被配置为从第二存储组件/存储器组件2630检索预定的任务简档，并使用预定的一组物理模型2634生成组件、设备或系统的磨损状态的模拟数据2616。
系统260另外包括第一比较器2620，其配置成比较来自建模模块2634的模拟数据和来自片上磨损传感器2604的测量输出数据。来自第一比较器2620的输出可以被发送到信号处理器2628，其被配置为至少部分地基于来自第一比较器2620的输出来确定被监视的组件、设备或系统的健康状况。
系统260可以另外包括第二比较器2624，其被配置为比较预定任务简档2602和“智能”任务简档2616。来自第二比较器的输出也可以被发送到信号处理器2628。处理器2628进一步被配置为基于预定任务简档和“智能”任务简档之间的偏差或差异确定是否存在系统故障。
监控系统260可以用于使用一个或多个磨损传感器2604在其整个寿命期间监控组件、设备或系统的任务简档。在一些其他的实施方案中，监控系统260可以另外使用静电放电(ESD)/电过应力(EOS)监视器2632。来自ESD/EOS监视器2632的输出(其可以表示触发事件)可以与来自一个或多个磨损传感器2604的输出数据结合使用。当发生ESD/EOS事件时，可以比较ESD/EOS事件之前和之后的磨损传感器2604的输出。输出特性的任何显着变化都可能表示由ESD/EOS事件引起的IC内部损坏。这样的信息也可以存储在第一存储/存储器组件2612(例如，非易失性存储器或易失性存储器)中，并且随着时间累积以构成“智能”任务简档2616。
在一个实施方案中，根据实施方案系统260另外包括设备级可靠性(DLR)建模模块。DLR建模模块2636在其中包括与各种磨损机制相关联的各种建模模块2640，包括例如热载流子注入(HCI)建模模块、时间依赖性介电击穿(TDDB)建模模块、电迁移(EM)建模模块、偏置温度不稳定性(BTI)建模模块和磁阻(MR)建模模块。建模模块2640还可以包括一个或多个物联网(IOT)传感器建模模块，其包括能量收集建模模块、气体感测建模模块、湿度感测建模模块、谐振器建模模块和生物特征感测建模模块中的一个或多个，仅举几例。使用来自“智能”任务配置文件的这些模型和数据，可以检测潜在的磨损问题并用于警告用户潜在的系统故障。数据还可以用作反馈回路2644的一部分，以调整组件、设备或系统的性能和/或启动冗余协议2648。系统260另外可以包括通信模块2652，其包括有线或无线装置，用于警告用户潜在或潜在的组件、设备或系统故障。在一些实现中，可以加密由通信模块2652生成和发送的数据以进行保护。
任务概况监测的应用包括，例如：
功能安全标准(FuSaISO26262)应用；
物联网(IOT)磨损传感器；
保修退货/误用：任务配置文件监控系统可用于突出显示组件、设备或系统误用。例如，虽然片上磨损传感器可以监测结温，但是也可能希望监测环境温度，这可以帮助区分IC故障、产品特定故障和系统故障。存储在芯片上的信息可用于故障分析，特别是保修失败。该系统可与EOS/ESD监视器配合使用，以辅助故障分析。
IC/系统冗余协议：对于安全关键应用，通常需要冗余。任务配置文件监控系统可用于在IC/产品故障之前触发冗余协议，从而防止通过热失控和其他影响造成潜在的系统损坏。
温度映射：一些能够监测温度的磨损传感器可以与任务剖面监测系统结合使用，以映射系统的温度梯度。屏幕上的温度图可以与系统警报一起显示，以突出显示磨损和潜在的系统故障。
湿度映射：一些能够监测湿度的磨损传感器可以与任务剖面监测系统结合使用，以映射系统的湿度梯度。屏幕上的湿度图可以与系统警报一起显示，以突出显示磨损和潜在的系统故障。
振动映射：一些能够监测振动的磨损传感器可以与任务剖面监测系统结合使用，以映射系统的振动梯度。屏幕上可以显示振动图和系统警报，以突出显示磨损和潜在系统故障。
工作电压保护带
图27-28根据实施方案示出了使用磨损监控装置的IC器件中的电源电压保护带的方法。尽管未示出，但是上面关于图2A/2B描述的感测电路25a/25b可以被配置为实现关于图27-28描述的方法。
通常，IC器件的工作电压可以在制造测试和表征过程期间基于IC的预期操作环境来确定。参考图27，在测试和表征步骤中，可以将各种额外余量添加到固有最小电压，以达到总电压保护带预算272。例如，可以在保护带预算272中添加电压下垂保护带，以便即使在最坏情况下的电压下垂事件期间也能保证正常工作，如IC器件的保护带状工作电压的示意性时间演变曲线270所示。可以添加附加的保护带，例如老化保护带。
参考图28，在典型条件下，IC器件所经历的电压下降可以比在时间演变曲线270中描绘的最坏情况条件下小得多，并且IC可以用更小的保护带正确地操作。然而，因为可能引起电压下降的IC器件的实际磨损状态是未知的，所以IC器件通常在这种最坏情况下工作。例如，参考图28的曲线图280，IC器件可以在“推荐的Vdd”下操作，该“推荐的Vdd”可以表示考虑最坏情况条件的Vdd电平。但是，使用不必要的大电压保护带会浪费能量。通过使用各种磨损监控装置，例如结合寿命指示器系统250(图25)或任务轮廓监测系统260(图26)，可以最小化保护带的数量，从而节省IC装置消耗的能量。也就是说，通过跟踪IC的实际磨损状态，可以使推荐的Vdd与实际Vdd之间的差最小化，从而节省宝贵的能量。
因此，在各种实施方案中，根据本文所述的各种实施例，电压保护带的方法包括使用磨损监控器周期性地确定IC的磨损状态，并由此确定对应于磨损状态的瞬时预期电压下降。一旦确定了对应于磨损状态的预期瞬时电压下降，就可以更新推荐的Vdd曲线。通过增加这种确定的周期性，可以最小化浪费的能量。
自供电磨损监控器
图29示出了根据实施方案的IC装置290，其包括磨损监控器291并且被配置为在使用由电源供应的最小能量或不使用能量的同时无线传输所监测的数据，或者使用以例如太阳能的形式从环境中清除的能量。
IC装置290包括磨损监控器291(其可以是上述磨损监控装置之一)、用于检测来自磨损监控装置291的磨损信号的感测电路294、用于无线传送磨损信号的无线通信模块296和用于为感测电路295和无线通信模块296供电的能量收集组件298。IC装置290还可以包括参考装置292，其可以被配置为上述参考装置之一。如上所述，磨损监控装置291和参考装置292依赖于原子扩散，并且不包括单独的电源以监测引起原子扩散的磨损应力。然而，感测电路294和无线通信模块296仍然可以包括单独的电源。然而，对于在远程、苛刻或难以访问的位置(例如，摩天大楼、桥或远程基站的顶部)中的使用，使用电池电力的扩展监视可能是不期望的或不实际的。有利地，IC装置290包括能量收集组件298。能量收集可涉及将非电形式的能量转换为电荷。能量收集组件298可以是配置成从环境中获取能量的任何合适的设备，例如光伏设备、热电设备或压电设备。能量收集组件298被配置为部分地或完全地将电力供应到IC装置290的感测测量电路294和无线通信模块296，使得IC装置290可以在远程中使用延长的时间段、苛刻或难以接近的位置，同时以很少或没有单独的电源为代价接收监视器信息。此外，应当理解，IC装置290通过远离处理电路(为了清楚起见未示出)，同时使用无线通信模块296通信地耦合到其上，监控装置可以在比操作处理电路的环境更加苛刻的环境中操作，例如远程服务器的处理环境。
氧化/腐蚀磨损监控器
除了检测原子扩散速率的变化之外，还可以使用化学反应(例如氧化和/或腐蚀反应)来测量某些IC器件的磨损程度。环境原子和监测杂质原子之间的各种反应(包括腐蚀和/或氧化)可以提供与环境原子相关的磨损应力的历史。根据各种实施例，化学反应(例如，腐蚀和/或氧化)的物质/材料可另外包括在监控装置中，其包括监视杂质原子，例如Au或以限定/可预测的速率扩散的其他材料。在一些实施方案中，氧化/腐蚀材料的反应速率可直接与可测量的电量相关。在一些其它实施方案中，氧化/腐蚀材料可对监测杂质原子(例如Au原子)的扩散速率产生可辨别的影响，从而间接地与可测量的电量相关。因此可以构造一种系统，该系统可以提供腐蚀或氧化水平的指示，其可以独立使用或与本文公开的其他实施例中描述的其他磨损机制和条件组合使用。类似于扩散，与氧化和/或腐蚀相关的磨损应力也可以被热激活，使得上面关于扩散描述的概念可以适用于本文关于图30A-30D描述的监控装置。
图30A-30D示出了监控装置300a-300d的各种实施例，其具有在各种使用环境下氧化/腐蚀的结构，其中氧化/腐蚀速率的变化可用于确定核心电路的磨损状态。氧化/腐蚀的结构可以单独使用，即没有配置成具有监控原子的结构扩散，或者与具有配置成扩散的监控原子的结构结合使用。当氧化/腐蚀的结构与具有扩散的监控原子的结构一起使用时，氧化/腐蚀的结构的存在会影响监控原子的扩散速率，并且具有监控原子的结构的存在会影响氧化/腐蚀速率。这种监控装置可以配置成检测与某些环境原子相关的磨损应力，包括各种气体或液体，例如氧气、水分、水、CO2等。
参照图30A-30D，磨损监控装置300a-300d中的每一个包括基板302，其可包括上文所述的测量结构，例如PN结或阻抗测量结构、在其上形成的扩散屏障304，以限制或抑制下面的基板302的扩散、氧化或腐蚀。
参照图30A，磨损装置300a包括多个监控原子层306a，其构造成扩散到下面的层中，以及多个氧化层308a，其适于以预定的速率氧化以用于已知的氧化环境。氧化层308a可包括具有已知氧化速率的金属或半导体材料。在所示实施例中，监控原子层306a和氧化层308a横向交替。
参照图30B，磨损装置300b类似地布置为图30A的磨损装置300a，除了氧化监控装置300a的层之外，磨损装置300b包括多个层308b，其适于以已知的腐蚀环境以预定速率腐蚀。可以包括具有已知腐蚀速率的金属或半导体材料的腐蚀层308b。在所示实施例中，监控原子的层306b和腐蚀层308a横向交替。
参考图30C，磨损装置300c类似地布置为图3A/图30B的磨损监控装置300a/300b，除了图30C的磨损装置300c具有堆叠构造，其中氧化层/腐蚀层308形成在监控原子层306c的顶部。
参考图30D，磨损装置30d类似地布置为图30C的磨损装置300c，除了代替其中氧化层308c形成在监控原子的层306c顶部的堆叠构造，图30D的磨损装置300d形成在监控原子层306d下方的氧化层/腐蚀层308d。
磨损监控器阵列
图31示出了根据实施方案的多个磨损监控装置，其横向布置为磨损监控装置318的阵列310a(横截面图)/310b(平面图)。阵列310a/310b可以实现为系统的一部分，例如芯片中的系统(SoC)或封装中的系统(SIP)。阵列310a/310b包括形成在基板312上方的多个监控装置318，并且可包括扩散屏障314。根据应用，监控装置318可以是相同类型或不同类型。例如，对于一些应用，一些监控装置318可以被配置为监控热应力，而其他监控装置318可以被配置为监控电压或电流应力。当监控装置318具有相同类型时，它们可以配置成监控相同或不同应力范围内的应力。例如，一些监控装置318可以被配置为监测第一温度范围下的磨损，而监控装置318的其他可以被配置为监测第二温度范围下的磨损。在一些实施方案中，监控装置318可通过电连接或连接316互连且通信地耦合，其可允许串联或并联地感测多个监控装置318。在一些实施方案中，电连接316可为熔丝链或反熔丝链，其可在制造之后被修改以形成有源监控装置318的特定图案以靶向核心IC装置的特定区域和/或特定应力范围(例如温度范围)。
图32A和32B示出了根据实施方案的多个监控装置/参考装置对320(图32A)，其被横向布置为阵列328(图32B)。阵列328可以与图31的阵列310a/310b类似地配置，并且将省略类似方面的描述。然而，与图31的阵列310a/310b不同，阵列328的每个监视装置322与参考装置324配对，参考装置324的布置和优点见上文所述的原因。
图33A-33B示出了根据实施方案的多个监控装置，其横向布置为在基板332和扩散屏障334上形成的监控装置338的阵列330a(横截面图)/330b(平面图)。类似于上面关于图31描述的磨损监控装置的阵列，阵列330a/330b包括监控装置338，其通过电连接或连接336互连并通信地耦合。电连接或连接336被配置成有意地暴露于可能导致其腐蚀和/或氧化的条件，并且由在这种条件下可能腐蚀/氧化的材料形成。结果，创建了一种系统，其中基于腐蚀/氧化(以及可能的链路或连接336自身的消耗)随时间发展可辨别的电气变化。图33A-33B的阵列330a/330b可以与图31的阵列310a/310b类似地配置，并且将省略类似方面的描述。然而，与图31的阵列310a/310b不同，至少一些监控装置338在其上形成有钝化层337a，其可以是聚合物钝化层或介电钝化层。
图33C示出了监控装置338a的阵列330c的另一个实施例，其中，与图33A的钝化层337a不同，钝化层337c在多个监控装置338a上形成覆盖层，除了其中开口333穿过毯覆式钝化层337c形成。在描述的实施方案中，示出了一组监控装置/参考装置对331a/331b，其包括监控装置338a/338b和参考装置s339a/339b，类似于图32A的监控装置/参考装置对320。在阵列330c的一部分的平面图中，暴露的对331a直接暴露于环境，而未暴露的对331b仍然被钝化层337c覆盖。所示出的阵列330c在监视环境中可能是特别有益的，其中监控装置338a和参考装置339a中的至少一些暴露于如上所述的氧化或腐蚀环境，而监控装置338a和参考装置399b以及电链路336的其他部件被防止暴露于氧化和/或腐蚀环境，以保持监控装置338a/338b与参考装置339a/339b之间的电互连的完整性。
包装磨损监控器中的系统
图34是封装中的系统(SIP)或嵌入有嵌入式组件的系统的图，例如，具有嵌入在基板内的组件的系统。根据实施方案，340包括一个或多个磨损监控装置348。在描述的实施方案中，基板342上形成有磨损监控装置348，其靠近待监控的核心电路装置346，从而提供核心电路装置346的磨损程度的相对准确的指示。例如，磨损监控装置348可以紧邻核心电路装置346设置。管芯342和其他部件可以封装在单个封装内以形成系统340。监控装置348可以设置在适当特定的位置，该位置可以是特定的关注区域，例如，适当地邻近高功率设备或敏感/关键处理设备。SIP 340可包括包覆模具342和其他组件的包覆模制化合物344。SIP340可以被配置为使得信号可以通过管芯342和/或其他组件从外部传递到SIP 340和从SIP340传送，例如，无线地或通过提供给SIP 340的输出触点。
电过载(EOS)和静电放电(ESD)磨损监控器
诸如静电放电(ESD)、电过载(EOS)或电磁兼容(EMC)瞬变的瞬态电气事件可能导致IC器件的磨损。如本文所述，瞬态电事件是具有小于DC方案的持续时间的电事件。不受任何理论束缚，已经预测由于瞬态电事件存在三种设备故障方案。在绝热状态中，瞬态电事件的持续时间约为<100ns。由于如此短的持续时间，几乎没有热传递，并且失效时间大致显示1/t相关性。在热扩散方案中，瞬态电事件的持续时间约为100ns至约10ms。在这个方案中，传热持续时间是传热时间的顺序，并且失效时间大致表示1/t1/2的相关性。在DC/稳态方案中，电事件的持续时间大于约0.1/10ms。在该方案中，装置处于热平衡状态，并且失效时间大致与时间无关。已经在所谓的Wunch-Bell曲线中描述了这些方案。
用于防止各种瞬态电事件的各种保护装置可以作为片外模块结合到装置中或者集成在芯片上，例如作为具有内置保护的多管芯封装的一部分。各种保护器件包括PN二极管、BJT和场效应晶体管的组合。使用上面关于这些和其他装置描述的磨损监控装置的各种配置，可以使用一些保护装置来监测由瞬态电事件引起的磨损。根据本文的各种实施例，磨损监控装置可以检测非灾难性电过应力(EOS)事件。这种功能可以以比其他电路略低的击穿来监视IC，并提供关于IC器件的磨损信息。
图35A和35B分别示出了根据实施方案的ESD检测电路350a和350b的示意图。每个ESD检测电路350a和350b包括第一ESD保护器件352和第二ESD保护器件354。
第一ESD保护装置352可包括例如具有相对低击穿电压和相对小的物理区域的二极管，第二ESD保护装置352包括例如具有相对高击穿电压和相对大的物理区域的二极管。这些ESD保护器件可以包括二极管、双极结型晶体管和半导体可控整流器(SCR)。第一ESD保护装置352可以在比第二ESD保护装置354低的电压下触发。在说明性示例中，第一保护装置352可以在例如大约6.5伏特处触发，并且第二ESD保护装置354可以在例如大约7伏特处触发。第二ESD保护装置354可以处理比第一ESD保护装置352更多的电流。在图35A所示的实施例中，电阻器355(图35A)或熔丝367(图35B)与第一ESD保护装置352串联，例如用于防止热失控和/或为检测电路356提供电压。
利用第一ESD保护装置352，可以检测低于阈值的用于触发第二ESD保护装置354的ESD事件，并且可以使用相关联的数据来确定部件、装置或系统的磨损。第一ESD保护装置354提供的ESD保护可能不足以保护内部电路，但第一ESD保护装置352提供的ESD保护可提供一种监视第二ESD保护装置354中发生的情况的方法，而不包括电阻，该电阻应该与第二ESD保护装置354串联地降低第二ESD保护装置354的有效性。
ESD检测电路350a和350b可以使用电阻器355两端的电压来检测ESD事件(图35A)。或者，当检测到ESD事件时，检测电路350b可以熔断熔丝357。在检测到一定数量的ESD事件(例如，10个事件)之后，可以提供警报信号。例如，当所有熔丝都可以熔断和/或存储器单元可能溢出时，可以切换警报信号。警报信号可以提供警报，以警告设备已被ESD事件老化。
EOS检测电路可以在芯片级和/或系统级提供功能安全信息。在芯片级，记录和监控EOS事件可以提供芯片功能安全性的指示。这些信息可以在骰子外部报告。可以在模具外部提供警报信号，以提供关于模具的功能安全性的警告和/或建议采取行动，例如更换模具。在系统级，检测EOS事件可以提供有关系统级功能安全的信息。例如，这些信息可用于预测性维护。
可以实现ESD保护装置的某些物理布局以实现高性能。下面讨论的物理布局可以结合本文讨论的任何EOS保护设备来实现。示例物理布局在图36A至36C中示出。
图36A提供了ESD保护装置360的物理布局的示例。在图37A中，ESD保护装置在平面图中是环形结构。这可以实现相对高的电流处理能力。ESD保护装置360的阳极362和阴极364可以设置在接合垫366周围。ESD保护装置的最薄弱点可以位于手指的末端，即使具有增加的间距、电阻和/或曲率，因为这是通常具有最高电场的位置。环形ESD可控硅整流器(SCR)可用于系统级ESD保护，以模仿封闭焊盘的圆形器件。这种SCR可包括美国专利No.6,236,087中描述的特征的任何组合，其全部技术公开内容通过引用结合于此。
在平面图中的环形ESD保护装置可以具有相对大的周边区域，因此可以具有相对大的横截面积，电流可以通过该横截面积流动。作为一个示例，周长可以是大约400μm并且二极管结可以是大约3μm深，因此横截面面积可以是大约1200μm2。另外，对于环形结构，金属可以从四侧的焊盘出来。这可以组合以基本上最小化对ESDzap的抵抗，因此可以基本上最小化芯片内部的敏感电路所经历的电压。可以为ESDzap提供甚至更低的阻抗路径的另一种方法是纯垂直二极管，其中传导垂直向下穿过硅。在这样的二极管中，对于100μm×100μm的焊盘，截面积为10,000μm2，并且金属电阻也可以相对较小，因为在一侧可以有一个厚的低电阻金属焊盘，在另一侧可以有一个靠近的低电阻焊线。
在一些情况下，理想的ESD器件可以是圆形的，因为在这种结构中沿着整个结可以存在基本相同的电场。圆形ESD器件布局可能不是面积有效的和/或内部阳极的结面积可以小于外部阴极。圆形ESD器件布局可以比消耗大致相同面积的一些其他常见ESD布局传导更大的电流。环形ESD器件布局可以传导相对大的电流，例如与EOS事件相关的电流。因此，在使用ESD器件来获取与EOS事件相关联的能量的某些应用中，这种ESD器件布局是期望的。
图36B提供了ESD器件361的物理布局的示例。ESP器件361的物理布局在平面图中是相对大的圆形形状。这可以减小阳极362和阴极364之间的结区域之间的差异。
图36C提供了ESD设备368的物理布局的示例。ESD设备368由相对密集的较小圆形ESD设备369阵列实现。较小的圆形ESD设备369可以横向和/或垂直地彼此对接。例如，可以在诸如智能手表的可穿戴计算设备中实现一系列较小的圆形ESD设备369。
图37A是根据实施方案的垂直集成系统370a的示意图，其包括在单个芯片上集成有ESD保护和/或能量收集电路的一个或多个磨损或腐蚀监控装置371。具有一个或多个磨损监控装置的组合ESD保护和存储芯片372除了能够利用来自ESD事件的能量的电路和被配置为存储与ESD事件相关联的电荷的存储元件之外，还包括用于感测系统或系统的组件磨损水平的电路。组合芯片372可以与ASIC 374堆叠。将ESD保护装置和存储元件组合在单个管芯中可以相对于以金字塔形配置堆叠的两个单独管芯来降低垂直集成系统的高度。将ESD保护装置和存储元件组合在单个管芯中可以减小来自浪涌传导点和存储元件的路径相对于两个单独堆叠的管芯的长度和/或电阻。ASIC 374可以从组合芯片372的存储元件接收电荷。使能量收集电路在与ASIC不同的芯片上可以允许EOS保护设备(例如ESD保护设备)按比例放大以存储来自较大EOS事件的电荷，例如较大的ESD事件。应当理解，一个或多个磨损或腐蚀监控装置371可以独立地集成在任何SIP(系统级封装)或系统中，以监控或测量不同的应力状态，例如温度、电压等，如本文其他地方所述。
图37B是图37A所示的完全封装的垂直集成系统370a的横截面图370b。横截面图370a示出了穿过包装材料(或屏障或密封剂)378形成的开口(或孔、导管或路径)375，使得空气或湿气可以直接接触磨损或腐蚀监控装置371。组合芯片371和ASIC主芯片彼此电连接并且通过引线键合376或一些其他合适的电连接或导电路径从外部电连接。
图37C是类似于图37A/37B的系统370a/b的完全封装的垂直集成系统370c的横截面图，除了系统370c另外包括电连接到传感器芯片的微机电传感器(MEMS)373。另外，与图37A/37B的系统370a/b不同，系统370c另外包括多个硅通孔(TSV)377，其将磨损或腐蚀监控装置371电连接到ASIC 374(或系统内的处理管芯)，其通过腔379与MEMS 373和/或ASIC374物理分离。通过将监控装置371与MEMS 373和/或ASIC 374分开，可以选择性地暴露监控装置371的电路，例如通过在封装/模块/系统级形成的开口。有利地，通过这样做，监控装置371可以保持与ASIC 374分离，并且可以配置为暴露于更高温度和/或更苛刻的环境。在描述的实施方案中，腔379通过蚀刻监控装置371的基板的一部分而形成，使得腔与MEMS 373重叠。然而，实施例不限于此，并且可以使用其他合适的工艺将腔379设置在监控装置371之间。
组合芯片372和ASIC主芯片通过布线376彼此电连接并且在外部。组合芯片372可以通过如图所示的一个或多个硅通孔(TSV)377电连接，或者使用如图37B所示的引线接合376作为电连接。
扩散增强的监控装置结构
对于某些应用，可能需要监测机械磨损应力对核心设备的影响。在一些应用中，待监测的核心器件可以是处于应力下的静态器件，例如，来自相邻浅沟槽隔离的应力下的晶体管器件或者来自形成它的柔性基板的应力下的半导体器件。在其他应用中，待监控的核心设备可以是动态设备，例如微机电系统(MEMS)设备。对于这些应用，可能需要监测由这种机械磨损应力引起的磨损应力。
在某些情况下，机械应力会引起掺杂剂原子扩散速率的变化。图38A-38E示出了磨损监控装置的各种实施例，其形成在柔性基板中或柔性基板上，使得可以监控与机械变形相关的磨损应力，例如通过利用监控原子的机械应力增强扩散。每个监控装置380a-380e具有形成在柔性基板383中的多个掺杂区域。多个掺杂区域可以形成阵列。柔性基板382可以由柔性材料(例如柔性聚合材料)或者已经基本上变薄(例如小于约500μm)的半导体/电介质基板(使得半导体/电介质基板是柔性的)形成。基板382可以掺杂(例如，轻掺杂)有第一掺杂类型或者是未掺杂的。监控装置被配置成使得由例如弯曲或偏转引起的机械变形导致与磨损应力相关联的电气特征，例如疲劳。在一些实施方案中，基板382可包括或至少部分地由诸如压电材料的材料形成，以将机械变形转换成电信号。
图38A和38B示出了根据实施方案在基板382经历弯曲之前(图38A)和之后(图38B)的磨损监控装置380a/380b。监控装置380a和380b各自具有多个掺杂区域384a和384b，其可以掺杂有第二掺杂类型。当基板382掺杂有第一掺杂剂类型时，形成PN结，使得形成耗尽区386a和386b，其可用于检测扩散的监控原子，如关于上文描述的各种实施例所描述的。如上所述，掺杂区384a和384b可以包括监控原子，其适于扩散到下面的基板中，例如扩散到耗尽区中。在一些实施方案中，可以在掺杂区域384a和384b上形成监控原子，而在其他实施例中，除了掺杂第二掺杂剂类型的掺杂区域的掺杂剂之外，或者至少部分地替代掺杂区域的掺杂剂，可以形成监控原子。在操作中，如图38B所示，将监控装置380a弯曲成弯曲的监控装置380b导致掺杂区域384b被置于如图所示的拉伸应变下，或者当沿相反方向弯曲时处于压缩应变下(未示出)。拉伸或压缩应变可以改变监控原子扩散到下面的基板材料中的速率，其变化可以使用感测电路来检测，如上所述。
图38C示出了根据实施方案的另一种磨损-监控装置380c，其被配置用于监测与机械变形相关的应力。类似于图38A/38B的磨损装置380a/380b，磨损监控装置380c在柔性基板382中具有多个掺杂区域384c。然而，与磨损监控装置380a/380b不同，掺杂区域384c合并以形成多个连接的掺杂区384c和相应的耗尽区386c。
图38D和38E示出了根据实施方案的磨损监控装置380d和380e的另外的实施例，其被配置用于监测与机械变形相关的应力。类似于图38A/38B的磨损装置380a/380b，磨损监控装置380c和380d分别在柔性基板382中具有多个第一掺杂区域384d和384e。然而，与磨损监控装置380a/380b不同，磨损监控装置380d和380e在柔性基板382中具有多个第二掺杂区域386d和386e。与第一掺杂区域384d和384e相比，第二掺杂区域386d和386e可以相反地掺杂并且配置为穿通监视器，如上文关于图11A和11B所述。在一些实施方案中，在如图38D所示，在横向相邻的第一掺杂区域384d和横向相邻的第二掺杂区域386d可以具有相似或不同的掺杂剂浓度，同时具有相似的深度，使得相应的第一和第二掺杂区域384d和386e之间的垂直间隔距离d1相对恒定。在一些其他的实施方案中，横向相邻的第一掺杂区域384e和横向相邻的第二掺杂区域386e可以具有相似或不同的掺杂剂浓度和不同的深度，使得相应的第一和第二掺杂区域384e和386e之间的垂直间隔距离d2是变化的，如图380E的磨损监控装置380e所示。
对于一些应用，可能需要监测由某些器件结构的电场增强引起的磨损效应。在一些应用中，待监测的核心设备可具有具有相对尖锐特征的结构特征，使得与相邻区域相比电场增强。此外，这种电场增强可导致E OS/ESD事件，这又可在半导体材料中产生晶格缺陷，通过该事件可显着增强原子扩散速率。因此，对于各种应用，希望监测由这种场增强效应引起的磨损应力。
图39A示出了磨损监控装置390a，其具有一个或多个锯齿状结构392a，其可以在电场下用作电极。在一些实施方案中，上和下锯齿结构392a和392b分别由第一材料形成，第一材料可以是半导体材料或导电材料。锯齿状结构392a/392b插入由第二材料形成的插入结构394，第二材料可以是半导体材料或介电材料。在描述的实施方案中，第一材料包括掺杂有第一掺杂类型(例如n型)的半导体材料，第二材料包括掺杂有第二掺杂类型(例如p型)的半导体材料。图39A的磨损监控装置390a包括监控原子，其可以存在于锯齿状结构392a或插入结构394中的任一个中，其中监控原子被配置成在磨损监控装置390a中扩散。锯齿状结构392a/392b包括多个场增强区域396，其被配置为当在上锯齿结构392a和下锯齿结构392b之间施加电场时增强电场。在描述的实施方案中，不同对的相对场增强区域396之间的间隙d1和/或曲率半径可以变化，使得不同的对可以在不同的电场值下经受放电事件，例如EOS/ESD事件。当在相对的场增强区域对396之间发生一个或多个EOS/ESD事件时，可以形成某些晶格缺陷398，例如堆垛层错或位错，从而为监控原子提供增强的扩散路径。在操作中，通过在上锯齿结构392a和下锯齿结构392a之间施加电场，可以在它们之间引起EOS/ESD事件，导致监控原子的原子扩散增强，例如通过锯齿状结构392a/392b中的晶格缺陷398。如上所述，可以由此确定例如在核心电路中的被监控结构的磨损程度。
在一些实施方案中，图39B所示的参考装置390b可设置有图39A的磨损监控装置390a。与监控装置390a不同，参考装置390b包括分别由与监控装置390a的锯齿状结构392a/392b相同的材料形成的上部和下部区域393a和393b(图39A)，以及由与监控装置390a的插入结构394相同的材料形成(图39A)的插入结构395。在操作中，通过在上部和下部结构393a和393b之间施加类似的电场作为施加在上部和下部锯齿状结构392a和392b之间的电场，可以在上部和下部锯齿状结构392a和392b之间引起EOS/ESD事件，虽然在上部和下部结构393a和393b之间没有引起类似的EOS/ESD事件。因此，如上所述，可以确定例如在核心电路中被监测结构的磨损程度。
图40是根据实施方案包括监控原子的磨损监控装置400的图示，该监控原子被配置成在半导体材料中扩散并且被配置成使得应力状态引起监控原子在半导体基板450中扩散的速率的变化。磨损监控装置在一侧或两侧横向地包括隔离区401a，例如浅沟槽隔离区。磨损监控装置另外包括埋层401b，其可以是掩埋氧化物层401b，例如绝缘体上硅(SOI)的掩埋氧化物(BOX)。因此，器件400可以通过隔离区401a和掩埋层401b与周围区域电隔离。在一些实施方案中，半导体基板450可以至少形成各种掺杂区域的上部，其可以是外延区域。所述磨损监控装置400还包括在掩埋氧化物层401b的垂直上方并在隔离区401a之间横向延伸的掩埋层区域462。磨损监控装置400另外包括形成在半导体基板450内的第一掺杂区域458，并且可以或可以不与埋层区域462接触。根据一些实施例，基板450、埋层区域462和第一掺杂区域可以掺杂相同的掺杂剂类型。例如，基板450可以以第一浓度掺杂有第一掺杂类型，其可以是n型掺杂剂或p型掺杂剂。第一掺杂区域458可以以相对于基板450更高浓度的第一掺杂剂类型掺杂。类似地，掩埋层区域458可以以相对于基板450更高浓度的第一掺杂剂类型掺杂。在描述的实施方案中，基板450、第一掺杂区域458和埋层区域462中的每一个掺杂有n型掺杂剂。
磨损监控装置400包括掺杂有第一掺杂类型的第一重掺杂区域454a。在图40所示的实施例中，第一掺杂区域454a是重掺杂的n掺杂(n+)区域。磨损监控装置400另外包括第二掺杂区域454b，其掺杂有与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型。在描述的实施方案中，第二掺杂区域454b是p掺杂区域，例如，重掺杂(p+)区域。
在描述的实施方案中，在基板450的一部分形成中间区域，该中间区域横向分隔第一和第二掺杂区域454a和454b，使其掺杂有第一或第二掺杂类型，其浓度基本上低于第一或第二重掺杂区域454a或454b。在描述的实施方案中，中间区域是n掺杂区域。因此，在一个示例性实施例中，磨损监控装置400可包括第一和第二重掺杂区域454a和454b，第一掺杂区域458和基板450介于第一和第二掺杂区域454a和454b，使得PN结包括例如由P+/N-/N/N+区域形成的p+第二重掺杂区域454b/基板450/第一掺杂区域458/n+第一重掺杂区域454a。然而，应当理解，磨损监控装置400的各种掺杂区域仅作为示例示出，并且其他实施例是可能的，其中p+第二重掺杂区域454b、基板450、第一掺杂区域458和n+第一重掺杂区域454a中的每一个被掺杂以形成P+、P、P-、N+、N或N-区域中的任何一个，从而形成PN结。
在图40的磨损监控装置400中，通过在介电层463中形成的开口注入相应的掺杂剂来形成第一和第二掺杂区域454a和454b，然而，实施例不限于此。例如，可以使用其他掩模(例如，光致抗蚀剂)和掺杂(例如，扩散)技术来代替或除了使用介电层463作为注入掩模之外。
仍然参考图40，磨损监控装置400另外包括通过介电层463中的开口分别在第一重掺杂区域454a和第二重掺杂区域454b上形成的第一电极408a和第二电极408b。如上所述，一个或多个第一和第二电极408a和408b都包括监控原子或由监控原子形成，并用作监控原子的储库。在描述的实施方案中，第一电极408a和第二电极408b分别形成在第一粘合层412a和第二粘合层412b上。如上文关于图6A/6B所述，粘附层412a、412b可以增强第一和第二电极408a、408b的粘附。第一和第二电极408a和408b中的一个或两个被配置成使得当磨损监控装置经受预定持续时间的一组预定条件时，各个电极中的一些监控原子通过相应的第一和第二重掺杂区域454a和454b扩散到其下形成的耗尽区域中。取决于下面的半导体材料中的扩散的监控原子的浓度和/或深度，例如在耗尽区域中，监控装置400的累积磨损历史，例如累积的热磨损历史，至少是间接决定的。
因此，如所配置的，磨损监控装置400具有设置在基板表面上的一个或多个监控原子的储库(即第一和/或第二电极408a、408b)和在基板450上形成的监控区域(例如在第二重掺杂区域454b下方形成耗尽区)。控制原子在基板的半导体材料中具有扩散特性，使得当磨损监控装置在预定的持续时间内经受一组预定的应力状态时，一些监控原子扩散到监控区域。储库可包括例如包含监控原子的电极或由监控原子形成的层。监视区域可以包括基板中的区域，例如，由如上所述的PN结形成的耗尽区域。
包括图40的磨损监控装置400的磨损监控装置的各种实施例被配置成使得可以测量与监控区域中监控原子的存在相关联的电气特性或电气特征。电特征可以是例如以下中的任何一个或多个：结泄漏、结电容、结内置电位、结反向恢复时间、双极基极传输时间(fT)、金属氧化物半导体(MOS)晶体管阈值电压、MOS晶体管亚阈值摆幅、MOS沟道泄漏、穿通击穿电压(BV)和碰撞电离击穿电压(BV)，仅举几例。
图41A示出了曲线图410A，其示出了在制造的磨损监控装置的反向偏压下的反向偏压和击穿下的实验电流-电压(IV)曲线412，类似于图40中示意性示出的装置。IV曲线412是50个不同的制造装置的那些，表明电性能中的高度的器件到器件均匀性，如不同器件之间的类似击穿电压(BV)和漏电流所示。
图41B示出了曲线图410B，其示出了在制造的磨损监控装置的反向偏压下的实验电流-电压(IV)曲线，其类似于图40中示意性示出的装置，在200℃下经受不同的热应力持续时间。特别地，IV曲线416a-416e表示在各种烘烤时间之后进行的测量，包括制造(416e)，烘焙约1天(416d)之后、烘焙约2天(416c)之后、烘烤约3天(416b)之后和烘烤约4天(416a)之后。如图所示，泄漏电流随着烘烤时间的增加而增加。
图41C示出了曲线图410C，其示出了在制造的磨损监控装置的正向偏压下的实验电流-电压曲线，其类似于图40中示意性示出的装置。特别地，IV曲线418表示在各种烘烤时间之后的正向偏压下的重叠测量，包括制造后和烘烤后约1天至4天，对应于偏压下图41B的IV曲线(416e-416a)。
图42A示出了图表420A，其绘制了在制造的磨损监控装置的反向偏压下的实验测量的泄漏电流，其类似于图40中示意性示出的装置，在200℃下经受不同的热应力持续时间。图表420A示出了在200℃下经受不同的热应力持续时间后在5V下测量的实验泄漏电流的曲线422。特别地，曲线422绘制了在各种烘烤时间之后进行的测量，包括制造时和烘烤后约1-9天。如图所示，泄漏电流随着烘烤时间的增加而增加。
图42B是绘制在不同温度下经受不同持续时间的热应力之后在反向偏压下计算的泄漏电流的图表420B，基于绘制了实验测量的制造的磨损监控装置(类似于图40中示意性示出的装置)的泄漏电流的图42A的图表420A。特别地，图表420B示出了计算的曲线424、426和428，其计算基于以上关于图42A的曲线422所示的实验泄漏电流，其表示在各种烘烤时间之后进行的测量，包括在制造之后和烘烤约1-9天之后。例如，不受任何理论的束缚，作为烘烤时间的函数的泄漏电流密度可以基于例如可以类似于基于菲克第二定律的时间依赖性扩散方程导出的表达式来计算。基于这样的表达式，可以使用实验确定的一个烘烤温度下的漏电流的时间依赖性来预测其他烘烤温度下的漏电流的时间依赖性。如图所示，随着烘烤温度的增加，漏电流以更快的速率增加。
图42C是绘制在不同温度下经受不同的热应力持续时间之后的反向偏压下的泄漏电流的等高线图420C，基于绘制实验测量的泄漏电流的图42A的图表420A，并且基于图42B的图表420B，其计算的泄漏电流的曲线图示出了与图40中示意性示出的装置类似的制造的磨损监控装置。基于这样的等高线图，可以确定任何温度范围和监控原子的扩散预期遵循预测行为的任何时间范围的泄漏电流的预测时间和温度依赖性，如上所述。
配置受控激活的磨损监控装置
如上所述，根据各种实施例的磨损监控装置具有监控原子，其扩散速率响应于应力状态而改变。如上所述，基于原子扩散的磨损监控装置具有许多优点，包括能够监测核心电路的磨损，无论核心电路和/或磨损监控装置是否被激活，因为原子扩散可以独立于核心电路和/或磨损监控装置是否被激活。然而，对于某些应用，可能需要控制监视起始点的定时。在下文中，描述了磨损监控装置的实施例，其中可以通过使用电压脉冲或电流脉冲到具有扩散剂的扩散区域来防止或限制原子扩散直到磨损装置被初始化或激活来控制磨损监控装置的起始点或开始扩散的时间。以下公开的各种实施例解决了这些和其他需求。
图43A示出了根据实施方案的磨损监控装置430，其配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。图43B示出了图43A的监控装置430的特写视图。特别地，磨损监控装置430A/430B包括第一区域，例如包括通过屏障438与第二区域(例如，基板62)分离的监控原子的储库434。磨损监控装置被配置使得监控原子通过屏障扩散并响应电刺激而扩散到第二区域。根据实施方案，监控装置具有监控原子，监控原子在基板中具有介于约0.5eV和约3.5eV之间的扩散活化能。类似于上面关于图6A和6B描述的监控装置60，磨损监控装置430包括半导体基板62和被配置为在其中扩散的监控原子，其中监控原子被配置成使得应力状态导致监控原子在半导体基板62中扩散的速率发生变化。监控装置的各个区域
磨损监控装置430包括掺杂有第一掺杂类型的第一掺杂区域64，其可以是n型或p型。在描述的实施方案中，第一掺杂区域64是重掺杂的p掺杂区域，例如重掺杂(p+)区域。
磨损监控装置430另外包括掺杂有与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型的第二掺杂区域66，即当第一掺杂区域64是n掺杂时第二掺杂区域是p掺杂，反之亦然。在描述的实施方案中，第二掺杂区域66是一个n掺杂区域，例如，重掺杂(n+)区域。
磨损监控装置430另外包括监控原子的储库434。在一些实施方案中，储库434用作与第一掺杂区域64接触的第一电极68a，其方式与上面参照图6A/6B所述的方式类似。在这些实施方案中，磨损监控装置430另外包括接触第二电极68b(未示出)和第二掺杂区域66。在一些其他的实施方案中，储库434不用作电极。在这些实施方案中，监控装置430还包括接触第一掺杂区域64的第一电极68a和接触第二掺杂区域66的第二电极68b，其中包含监控原子的储库434可以设置在第一和第二电极68a和68b之间。这里省略了磨损监控装置430的各种其他结构特征的详细描述，其类似于图6A/6B的磨损监控装置60的对应特征。
储库434可以由包含监控原子的各种材料形成。例如，当配置为第一电极68a时，储库434可以类似于上面关于图6A/6B描述的第一电极68a，例如，关于导电组合物，其包括或由监控原子形成并且用作监控原子的储库。然而，在储库434不需要或不需要用作电极的实施例中，储库434的组成不需要是导电的。例如，监控原子可由电子绝缘材料形成或包括电绝缘材料，该电绝缘材料包含、浸渍、掺杂或以其他方式被监控原子饱和，使得当用作储库时，储库434本身不需要是导电的。例如，储库434可以由介电材料(例如，氧化物、氮化物、聚合物等)形成或包括介电材料(例如，氧化物、氮化物、聚合物等)，或者由掺杂有相对低浓度的电活性掺杂剂的半导体形成或包括半导体。
作为与上面所示的磨损监控装置的进一步区别，储库434可以通过屏障438与半导体基板62分离。在描述的实施方案中，屏障438插入储库434和基板62之间并包围储库434。在形成时，屏障438是物理屏障，其由阻挡监控原子从储库434扩散到基板62而不被改变的材料形成。
图44A和44B示出了根据实施例方案的三维和二维能量空间图440A和440B，其描绘了在磨损监控装置中的监控原子“看到”潜在的屏障，如上面关于图43A/43B所示。图440A的阱区域和图440B的左区域在能量空间中表示由储库434中的监控原子“看到”的能级，并且图440A的井外区域和图440B的右区域在能量空间中表示由基板62中的监控原子“看到”的能级。如图所示，储库434和基板62由物理屏障隔开，该物理屏障具有由监控原子“看到”的能量水平，其高于储库434和基板62的能量水平。因此，在核心电路的普通操作条件下，能垒的高度例如在对应于小于或等于约85℃、125℃或250℃的温度的热能内，原子克服能垒的概率可忽略不计。也就是说，根据实施方案，屏障438和储库434之间的平均能级差ΔE可以例如基本上高于(kT～0.023eV)，例如，0.058eV(400℃)或更高、0.75eV(600℃)或更高、0.092eV(800℃)或更高、0.11eV(1000℃)或更高。因此，在低于屏障438和储库434之间的ΔE的温度下，监控原子通过屏障438的扩散速率可以是与监控原子的热能(例如，kT)相关联的，其可以忽略不计。因此，在不改变屏障438的情况下，基本上防止了监控原子扩散到基板62中。
在关于能量空间图440B所示的实施例中，储库434和基板62的能级基本相似。例如，当储库434可以由与基板相同的材料(例如硅)形成并且用监控原子(例如金)浸渍时，可能是这种情况。然而，实施例不受限制，并且储库434和基板62的能级可以基本上不同。例如，当储库434可以由与基板不同的材料形成时，例如浸渍有监控原子的电极金属，例如金，可能就是这种情况。
在一些实施方案中，在屏障438和储库434之间的ΔE可以对应于例如屏障438和储库434中的监控原子的激活能量的差异。在这些实施方案中，屏障438中的监控原子的活化能可以大于储库434中监控原子的活化能，例如，0.058eV(400℃)或更高、0.75eV(600℃)或更高、0.092eV(800℃)或更高、0.11eV(1000℃)或更高，根据实施方案。
用于屏障438的绝缘或介电材料的实例包括与半导体处理兼容的各种无机介电材料，例如SiOx、SiOxNy和SiNx，仅举几个例子。用于屏障438的绝缘或介电材料的实例还包括与半导体加工相容的各种无机或有机聚合物材料，包括电活性聚合物和共轭导电聚合物。例如，屏障438可以由聚吡咯(PPy)、聚3,4-亚乙二氧基噻吩(PEDOT)、聚[2-甲氧基-5-(2'-乙基己氧基)-对亚苯基亚乙烯基](MEH-PPV)、聚芴、氟碳膜、聚四氟乙烯(PTFE)，以及各种其它合适的聚合物材料形成，其中如上所述监控原子“看到”较高的屏障，根据实施方案。有利地，这些材料可以使用与半导体处理相容的各种沉积工艺形成，例如化学气相沉积、原子气相沉积或物理气相沉积，以及其他工艺。
用于屏障438的导电材料的实例包括与半导体处理兼容的各种金属或掺杂半导体，其中如上所述监视原子“看到”较高的屏障，根据实施方案。
根据实施方案，屏障438由绝缘或导电材料形成，该绝缘或导电材料被配置成响应于电刺激，例如电压或电流刺激，屏障438基本上被改变或降低。可选地或另外地，响应于电刺激，例如电压或电流刺激，扩散剂或监控原子获得足够的能量以扩散到基板中。在各种实施方案中，屏障438的改变或通过扩散剂获得足够的能量启动或激活磨损监控装置430，使得监控原子开始在受核心电路影响的各种压力下扩散到基板，如上所述。
在一些实施方案中，电压或电流刺激可以反过来引起储库434下方的监视区域的焦耳加热。在描述的实施方案中，焦耳加热可以以类似于上面关于图8描述的电流监视器的焦耳加热的方式发生。除了储库434设置在第一电极68a和第二电极68b之间之外，磨损监控装置430的配置可以在结构上类似于上面关于图8描述的磨损监控装置80。除了或代替使用第一和第二电极68a、68b之间的电流来测量由焦耳加热引起的监控原子的扩散速率的影响，在第一和第二电极68a、68b之间流动的电流用于热和/或电气地改变屏障438。通过焦耳加热改变屏障438而基本上不将监控原子扩散到基板中，储库434下方的监视器区域，表示为与图43A/43B中的第一电极68a和第二电极68b之间的正向偏置PN结串联形成的电阻器，可以经受瞬态电压或电流脉冲。可以在偏压条件下施加电压或电流脉冲，其中磨损监控装置430的PN结正向偏置，使得可以提供足够的电流密度以进行有效的焦耳加热。响应于正向偏压，监控结构的串联电阻产生足够的热量，这导致屏障438被改变，例如，永久地改变，使得ΔE基本上降低或消除。例如，在焦耳加热下，屏障438可以产生结构修改，例如粘合断裂或针孔。一旦ΔE基本上降低或消除，监控原子的原子扩散就像在上述各种实施例中那样发生。例如，一旦屏障438被电压或电流脉冲改变，当磨损监控装置430随后经受一组预定条件持续预定的持续时间时，储库434中的一些监控原子扩散到在第一和第二掺杂区域64、66之间形成的耗尽区。取决于下面的半导体材料中的扩散的监控原子的浓度和/或深度，例如在耗尽区域中，装置60的累积磨损历史，例如累积的热磨损历史，至少可以是间接决定的。将省略上面已经描述的设备结构和监控装置430的操作的进一步细节。因此，如上所述，由能量空间图440B描绘的磨损监控装置430可以被配置为例如使用激活的磨损监控器。
图45示出了根据实施方案的二维能量空间图450，其描绘了由磨损监控装置中的监控原子“看见”的潜在屏蔽。特别地，能量空间图450对应于类似于磨损监控装置430的磨损监控装置，除了屏障438被省略。另外，与关于能量空间图440B(图44B)描述的磨损监控器不同，其中储库434和基板62的能量水平基本相似，磨损监控装置对应于能量空间图450，储库434(左侧)的能量水平基本上低于基板62的能量水平(右侧)。例如，当储库434由与基板不同的材料形成时，例如浸渍有监控原子的电极金属或由监控原子形成的电极，例如金，可能就是这种情况。在这些实施方案中，在省略屏障438的同时，监控原子仍然“看到”由储库434和基板62之间的能级中的差值ΔE2表示的屏障。ΔE2可以是类似的，与上面关于图44描述的ΔE相比，其大小更大或更小。因此，虽然与上面关于图43描述的监控装置430不同，屏障438被省略，但是监控原子在扩散到基板62之前克服了屏障。在接收电能(例如电流或电压脉冲)时，监控原子可以克服屏障ΔE2，就会以与上面关于图43所述的类似方式导致监视区域在储库434下方的焦耳加热。已经克服能垒ΔE2的监控原子现在可以以与上述各种实施例基本类似的方式进一步扩散到基板62中。
图46示出了根据实施方案的二维能量空间图460，其描绘了由磨损监控装置中的监控原子“看到”的潜在屏蔽。特别地，由能量空间图460描绘的磨损监控装置类似于上面关于能量空间图450(图45)描述的磨损监控装置，不同之处在于所示的磨损监控装置另外包括屏障438，类似于上面参照图43描述的磨损监控装置。类似于能量空间图450，储库434(左侧)的能量水平低于基板62(右侧)的能量水平，屏障438形成在储库434内。例如，当储库434由与基板不同的材料形成时，例如，浸渍有监控原子的电极金属或由监控原件形成的电极，例如金，可能是这种情况，并且屏障438形成在储库434内。结果，储库434被屏障438分成第一(左)区域和第二(右)区域。在这些实施方案中，当通过例如经由电脉冲的焦耳加热降低或消除屏障438时，以与上面关于图43和44A/44B所述类似的方式初始化磨损监控装置。然而，监控原子仍然“看到”由储库434和基板62之间的能级中的差值ΔE2表示的屏障。因此，除了通过以与上面关于图43和44A/44B所述类似的方式降低或移除屏障438来初始化之前和之后，监控原子在以与上面参考图45所述类似的方式进一步扩散到基板62中之前另外克服了第二屏障ΔE2。
图47是根据实施方案的磨损监控装置470的图示，该磨损监控装置470被配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。具体地，监控装置470包括根据图45所示的能量空间图布置的监控原子，其中储库中的监控原子的能量水平基本上低于基板中的监控原子的能量水平。监控装置470的各种结构与上面参照图40描述的监控装置的结构类似地布置。例如，监控装置470通过在一侧或两侧上形成的隔离区401a(例如，浅沟槽隔离区)和掩埋层401b横向隔离，掩埋层401b可以是在磨损监控装置470的有源区域下方横向延伸的掩埋氧化物(BOX)层401b。磨损监控装置470还包括在掩埋氧化物层401b的垂直上方并在隔离区401a之间横向延伸的掩埋层(NBLY)区462。磨损监控装置400另外包括在半导体基板450内形成的第一掺杂区域458。根据一些实施例，基板450、掩埋层区域462和第一掺杂区域可以掺杂有相同的掺杂剂类型。例如，基板450可以以第一浓度掺杂有第一掺杂类型，其可以是n型掺杂剂或p型掺杂剂。第一掺杂区域458可以相对于基板450以更高的浓度掺杂第一掺杂剂类型。类似地，掩埋层区域458可以相对于基板450以更高的浓度掺杂有第一掺杂剂类型。在描述的实施方案中，基板450、第一掺杂区域458和埋层区域462中的每一个掺杂有n型掺杂剂。磨损监控装置400包括第一重掺杂区域454a，例如重掺杂n掺杂(n+)区域和第二重掺杂区域454b，例如重掺杂p掺杂(p+)区域。各种掺杂区域的详细相对掺杂浓度和处理方法可以类似于上面关于图40所描述的，并且将省略它们的详细描述。
仍然参考图47，磨损监控装置470另外包括通过介电层463中的开口分别在第一重掺杂区域454a和第二重掺杂区域454b上形成的第一电极408a和第二电极408b。第一和第二电极408a和408b的一个或二者都用作监控原子的储库，类似于上面关于图43所示的储库434，其包括或者由根据图45中描绘的能量空间图排列的监控原子形成。也就是说，第一和第二电极408a和408b中的一个或两个具有监控原子，使得储库中的监控原子的能级基本上低于基板中监控原子的能级。
因此，如所配置的，磨损监控装置470具有设置在基板的表面上的一个或多个监控原子的储库(即，第一和/或第二电极408a、408b)和在基板450中形成的监控区域(例如，在第二重掺杂区域454b下方形成耗尽区)。储库和基板中的监控原子的相对能量水平是这样的，在克服如上关于图45所述的能垒ΔE2时，如上面参考图40所述，基板的半导体材料中的监控原子进一步扩散到基板的监视区域中。也就是说，当磨损监控装置经受一组预定的应力状态到预定的持续时间时，一些监控原子扩散到监控区域，其中监控区域可以包括基板中的区域，例如，如上所述由PN结形成的耗尽区。上面已经参考图40描述了可以测量的监视区域的各种电特性，并且在此省略。
图48是根据一些其他实施例的磨损监控装置480的图示，该磨损监控装置480被配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。特别地，监控装置480包括根据图44A/44B或46中所示的能量空间图布置的监控原子，其中屏障438存在于储库和具有比储库和基板的能量水平更高的能垒的基板之间。与基板中的监控原子的能级相比，储库中的监控原子的能级可以基本相似(图44A.44B)或基本上更低(图46)。除了屏障438的存在之外(在此省略其描述)，监控装置480的各种结构与上面参照图47描述的磨损监控装置470的结构类似地布置。另外，以上关于图43、44A/44B和46描述了屏障438的各种物理特性以及物理和能量配置，并且在此省略。
图49A-49F示出了根据一些其他实施例的磨损监控装置490的电响应，该磨损监控装置490被配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。图49A示出了监控装置490的结构的剖视图，该监控装置490包括以与上面关于图47所示的磨损监控装置470类似的方式布置的监控原子，其中多个储库438中监控原子的能量水平远低于基板中监控原子的能量水平，使得磨损监控器490在向多个储库438施加电脉冲时被激活。监控装置490的各种结构的布置基本上类似于上面关于图47所示的磨损监控装置470，除了磨损监控装置490包括多个配置为第一电极408a的储库。图49B示出了可以应用于储库438的示例性电脉冲492。在描述的实施方案中，配置为第一电极408a的储库438与p掺杂区域接触，例如，在n掺杂区域(例如n掺杂外延区域)内形成的重掺杂的p+区域，施加的电脉冲是施加在第一电极408a和第二电极408b之间的正电压，使得由p掺杂区域和n掺杂区域形成的PN结是前向偏见的。图49C示出了由图49B所示的电脉冲产生的模拟电流密度分布490c的横截面图，图49D示出了由焦耳加热产生的模拟热分布490d的横截面图，图49E示出了由图49B所示的电脉冲产生的模拟碰撞电离分布490e的横截面图，图49F示出了由图49B所示的电脉冲产生的模拟电位梯度分布490f的横截面图。对于关于图49C-49F所示的各种模拟，由图49A的磨损监控装置490中的n掺杂区域内形成的重掺杂p+区域形成的PN结被配置成使得在图49B所示的电压脉冲下，在第一电极408a和第二电极408b之间在约20V的标称电压下具有约100ns的标称脉冲宽度，PN结正向偏置，峰值电流密度超过约1×103A/cm2，如图49B所示，其反过来导致峰值温度超过约420K(或约147℃)，如图49D所示。
在以上关于图43-49的描述中，描述了具有监控结构的磨损监控装置的各种实施例，其中监控结构被配置为在用作基于原子扩散的磨损监控器之前被初始化。对于各种应用，可能希望磨损监控装置包括多个监控结构，其中每个监控装置包括储库并且还可以包括屏障，如下所述。
图50A示出了磨损监控装置500的剖视图，该磨损监控装置500被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置500包括多个监控结构D1，D2，...Dn。监控结构D1，D2，...Dn中的每一个包括根据上面参考图43-49描述的任何实施例的储库434，并且还可以包括根据以上关于图43、44A/44B、46和48描述的任何实施例的屏障438。在描述的实施方案中，每个监控结构D1，D2，...Dn具有名义上相同的结构并且通过名义上相同的间隔分开。这样的配置可能是有利的，例如，用于获得磨损应力的空间轮廓、获得磨损应力的时间演变和/或在不同的时间和/或条件下初始化磨损监控装置的不同区域以及其他优点，如进一步描述的。然而，实施例不限于此，如图51所示。
图50B示出了控制电路的示例实施方式，该控制电路具有电连接到磨损监控装置并且被配置为供应电刺激的电流供应晶体管504。特别地，电流供应晶体管是足够大的晶体管，使得如上面关于图49C和49D所示，可以实现超过约1×103A/cm2、约1×104A/cm2或约1×105A/cm2的峰值电流密度，根据实施方案如图49B所示，其反过来可以诱导约420K(或约147℃)、470K(或约197℃)或约520K(或约247℃)的峰值温度。
图51A示出了磨损监控装置510A的横截面图(上图)和俯视平面图(下图)，该磨损监控装置510A被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散记录核心电路的磨损指示。在描述的实施方案中，磨损监控装置510A包括多个不同的监控结构G、F、D和E。类似于上面关于图50所示的磨损监控装置500，监控结构G、F、D、E中的每一个包括根据上面关于图43-49描述的任何实施例的储库434，并且还可以包括根据上述关于图43、44A/44B、46和48的任何实施例的屏障438。但是，与磨损监控装置500不同，在描述的实施方案中，相对于包括储库和/或屏障(包括它们的材料组合物、尺寸和/或横向构型)的一个或多个结构，监控结构的G、F、D、E中的每一个与监控结构中的相邻一个相比被不同地配置。除了获得磨损应力的空间轮廓之外，为了获得磨损应力的时间演变，和/或用于在不同的时间和/或条件下初始化磨损监控装置的不同区域，磨损监控装置510A的配置可以进一步有利于在不同区域中获得不同的扩散速率，除了其他优点之外。
图51B示出了根据一些其他实施例的磨损监控装置510B的剖视图，该磨损监控装置510B被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。磨损监控装置510B包括多个不同的监控结构D1、D2...Dn，每个监控结构具有不同布置的屏障。特别地，不同的监控结构D1，D2...Dn可以具有分别具有厚度H1，H2，......Hn的屏障，使得不同的监控结构在不同的电刺激下被初始化，例如，不同的电压脉冲。另外，当储库由包含监控原子的矩阵形成时，不同的监控结构D1，D2...Dn可以包括不同的监控原子和/或不同的包括监控原子的矩阵材料。
图52示出了磨损监控装置520的俯视平面图，该磨损监控装置520被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置520包括具有多个行的阵列，例如，包括监控结构D1，D2，......Dn的第一行R1和包括监控结构D4，D5，......Dm的第二行R2。该阵列还可以具有多个列，例如包括监控结构D1，D4，......Di的第一列C1和包括监控结构D2，D5，......Dj的第二列C2。监控结构D1，D2，...Dn和D4，D5，......Dm在名义上可以是相同的，如上面关于图51所描述的，或者名义上不同，如上面关于图52所描述的。在描述的实施方案中，监控结构被配置为以具有多个行R1，R2，......和/或列C1，C2，......的规则阵列电连接。在一些实施方案中，电连接可以使得包括监控结构D1，D2，...Dn的每个行可以被并行和/或同时电访问，例如，用于初始化。在一些其他的实施方案中，电连接可以使得每个离散的监控结构可以通过将适当的电信号施加到特定的行和列而以“位可寻址”的方式单独地电访问，例如用于初始化。阵列配置可能是有利的，例如，用于获得磨损应力的空间轮廓、用于获得磨损应力的时间和/或空间演化和/或在不同的时间和/或条件下初始化磨损监控装置的不同区域，以及其他优点，如下文进一步描述。
图53示出了根据实施方案的磨损监控装置530的俯视平面图，该磨损监控装置530被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示，其中磨损监控装置530包括具有多个监控结构D1，D2，...Dn的阵列，所述阵列布置在距参考点或中心位置不同的径向距离处。与上面关于图52所示的磨损监控装置520类似，监控结构D1，D2，...Dn在名义上可以是相同的，如上面关于图51所描述的，或者名义上不同，如上面关于图52所描述的。然而，与图52不同，磨损监控装置530的监控结构D1，D2，......Dn不是布置成具有行和/或列，而是布置成使得监控结构具有不同的径向距离r1，r2，分别相对于中心位置或中心结构H，其可以是热源。阵列配置可能是有利的，例如，用于获得磨损应力的空间轮廓，例如径向轮廓，用于获得磨损应力和/或用于在不同的时间和/或条件下初始化磨损监控装置的不同区域的时间和/或空间演变，以及其他优点，如下文进一步描述的。
在上面参考图43-53中，描述了具有监控结构的磨损监控装置的各种实施例，其中监控结构被配置为在作为基于原子扩散的垂直方向(例如，在垂直于基板表面的方向上)和基板中作为磨损监控器之前进行初始化。对于各种应用，可能希望磨损监控器包括监控结构，该监控结构被配置为在作为基于原子扩散的横向方向(例如，在与基板表面平行的方向上)作为磨损监控器之前进行初始化。
图54A和54B示出了根据实施方案的磨损监控装置540的横截面图和俯视平面图，该磨损监控装置540被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。根据实施方案，磨损监控器540被配置为在用作基于横向的原子扩散的磨损监控器之前被初始化。与上面关于例如图43所示的监控装置不同，在监控装置540中，监控原子具有净扩散方向，该净扩散方向是沿着基板表面的横向方向。参照图54A和54B，所示的磨损监控装置540包括基板62，基板62上形成有监视区域544，例如圆形监视区域，由凹陷区域546(例如圆形凹陷区域)围绕。磨损监控装置540另外包括形成在凹陷区域546中的储库434，其围绕例如圆形地围绕监视区域544，以及围绕例如环形地围绕储库434的屏障438。监视区域544可以具有横向尺寸，例如直径E，使得监控原子横向扩散可以指示核心电路在其寿命期间的磨损。凹陷区域546具有适于容纳储库434和屏障438的深度F。除了横向布置之外，包括材料，监视区域544、屏障438和储库434之间的能量关系的各种其他配置，省略屏障438的可能性以及监视区域544可包括的各种半导体掺杂区域基本上类似于上述各种实施例，因此，这里省略了它们的详细描述。
在一些实施方案中，监视区域544、储库433和屏障438可以通过永久扩散屏障548与体基板分离。虽然所示实施例包括监视区域544，屏障438和储库434配置为圆形同心区域。然而，根据实施方案，其他实施例也是可能的，其中监视区域544、屏障438和储库434根据监控原子在横向上的原子扩散，配置为适于记录核心电路磨损指示的任何合适的形状。
图55A-55C分别示出了根据实施方案的磨损监控装置550A、550B和550C的俯视俯视图，其被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。类似于关于图54A/54B所示的磨损监控装置540，根据实施方案，磨损监控装置550A、550B和550C被配置为在用作基于横向的原子扩散的磨损监控器之前被初始化。然而，与上面关于图54A/54B所示的监控装置不同，其中监控原子在径向向内的方向上扩散，例如，从储库朝向形成在中心位置的监控区域向内扩散，在磨损监控装置550A、550B和550C中，监控原子沿径向向外的方向扩散，例如，从形成在中心位置的储库向外朝向形成在外部位置的监视区域扩散。磨损监控装置550A、550B和550C中的每一个包括基板62，基板62上形成有一个或多个监控结构550-1、550-2、550-3、......550-n。虽然示出了四个监控结构，但是可以存在一个或任何合适数量的监控结构，其可以以与所示的四个监控结构类似的方式包括在内。
一个或多个监控结构550-1、550-2、550-3、......550-n中的每一个包括具有例如圆形形状的专用或共享储库、具有例如环形或环形的专用或共享屏障、围绕专用或共用储库，以及沿径向延伸的监视区域552-1、552-2、552-3、...552-n中的相应一个。一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n中的每一个的一端接触屏障438，使得穿过屏障438的监视原子可沿监视区域552-1、552-2、552-3...552-n之一沿径向扩散。在描述的实施方案中，每个一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n形成为条带、轨道或在平行于基板表面的横向方向上延伸的通道结构，使得监控原子在一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n中的每一个中横向向外扩散。
根据实施方案，一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n可以由相同或不同的材料形成，可以具有相同或不同的尺寸(例如，长度)或者否则可以具有相同或不同的配置，使得一个或多个监控区域552-1、552-2、552-3...552-n中的不同可以以不同的速率和/或不同的浓度分布扩散监控原子。
仍然参考图55A-55C，监视器区域552-1、552-2、552-3...552-n中的每一个具有长度和沿着长度形成的一个或多个测量结构554，用于测量与每个监控区域相关的电气特性。例如，一个或多个测量结构554可以包括例如触点或探针，用于测量与每个监视区域相关的电气特性。在一些实施方案中，相邻的多个测量结构554可以以恒定距离分开。
在一些实施方案中，储库434、屏障438和一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-4可以形成在基板62上，例如，共同的平面基板。
在一些其他的实施方案中，至少储库434和屏障438可以形成在基板62中形成的凹陷区域中。凹陷区域可以例如是上面关于图54A/54B描述的凹陷区域的倒数。例如，屏障438可以通过将屏障材料沉积在形成在中心位置处的凹陷区域的侧壁上，例如在圆形凹陷区域的侧壁上，并且将储库材料沉积在凹陷区域中，例如，圆形凹陷区域。
另外，一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n可以形成在基板62中，例如，当一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n由与基板不同的材料形成。例如，通过首先形成具有一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n的形状的凹陷区域形成的一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n并用一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-4的材料填充凹陷区域。
一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n中的每一个具有横向尺寸，例如，适于使得监视原子径向向外扩散的长度可以指出核心电路在其使用寿命期间的磨损情况。储库434和屏障438可具有对应于深度F的厚度，该厚度适于将储库434和/或屏障438容纳在凹陷区域中，如上文关于图54A/54B所述。除了横向布置之外，各种其他配置包括材料，监视区域544、屏障438和储库434之间的相对能级，省略屏障438的可能性，以及监视区域544可包括的各种半导体掺杂区域，基本上类似于上述各种实施例，因此，这里省略了它们的详细描述。
在操作中，在通过电刺激降低或消除与屏障438相关联的能垒时，磨损监控装置被初始化，如上所述。在初始化之后，响应于磨损应力，监控原子开始从储库434扩散到一个或多个沿横向伸长的监控区域552-1、552-2、552-3...552-n中。沿着一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n中的每一个的长度方向间隔设置的多个测量结构554可以提供空间相关的电指示，例如泄漏电流。依赖于空间的电指示可以依次提供核心电路所经历的磨损应力的时间历史，其基于上文所述的监控原子的扩散的时间依赖性。
参考图55A的监控装置550A，在一些实施方案中，一个或多个监控区域552-1、552-2、552-3...552-n接触公共屏障438并且被配置为从公共储存库434提供监控原子。如所配置的，沿着一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n中的每一个的长度方向间隔设置的多个测量结构554可以在不同方向上提供空间相关的电指示，其又可以提供核心电路所经历的磨损应力的相应时间历史。
参考图55B的监控装置550B，在一些实施方案中，单独的屏障438-B1、438-B2、438-B3和438-B4专用于一个或多个监控区域552-1、552-2、552-3、…552-n中的每一个是相同的。屏障438-B1、438-B2、438-B3...438-Bn可以通过热稳健分裂物理地分开，该分裂响应于改变屏障438-B1、438-B2、438-B3...438-Bn的电刺激而不会显着改变。每个单独的屏障438-B1、438-B2、438-B3...438-Bn被配置为通过电刺激独立地修改，使得一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3、…552-n中的每一个被配置为彼此独立地初始化。因此，可以基于用户的偏好在不同时间初始化多个磨损指示。
在一些实施方案中，单独的屏障438-B1、438-B2、438-B3...438-Bn可由相同或不同的材料形成、具有相同或不同的尺寸(例如，厚度)或具有相同或不同的配置，使得它们被配置为响应于相同或不同的电刺激而相应地改变。
参见图55C，在一些实施方案中，除了用于如上面关于图55B所述的一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3…552-n的单独的屏障438-B1、438-B2、438-B3...438-B4之外，监控装置550C可以另外包括专用于一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3...552-n中的每一个的单独的储库434-A1、434-A2、434-A3...434-An。屏障438-B1、438-B2、438-B3...438-Bn可以如上面参考图55B所描述的那样配置。另外，每个单独的储库434-A1、434-A2、434-A3......434-A4可以被配置为，在屏障438-B1、438-B2、438-B3...438-Bn中相应的一个被电刺激修改后，独立地供应要在一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3、…552-n中扩散的监视原子，使得一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3、…552-n中的每一个被配置为彼此独立地初始化并且被独立地提供有监控原子。因此，除了基于用户的偏好在不同时间初始化之外，可以用监控原子独立地提供多个磨损指示。
在一些实施方案中，单独的储库434-A1、434-A2、434-A3...434-An可以包含相同或不同的监控原子，可以包含相同或不同的结合监控原子的基质材料，具有相同或不同的尺寸(例如，体积)或以其他方式具有相同或不同的配置，使得它们被配置为向一个或多个监视区域552-1、552-2、552-3、…552-n中的相应的一个提供相同或不同的监控原子。
因此，在图55C所示的实施例中，不同的一个或多个监控结构550-1、550-2、550-3...550-n中具有储库的不同组合，屏障和监控区域可以配置成对磨损应力的不同类型、不同大小和/或不同持续时间特别敏感。例如，一个或多个监控结构550-1、550-2、550-3...550-n中的每一个可以适用于不同的温度范围和/或不同的磨损应力持续时间。
在上面关于图55A-55C描述的实施例中，描述了包括多个监控结构的磨损监控装置的各种实施例，该多个监控结构被配置为在用作基于横向的原子扩散的磨损监控器之前被初始化。特别地，在上面关于图55A-55C描述的实施例中，多个监控结构横向地布置在基板上。在下文中，描述了包括多个监控结构的磨损监控装置的实施例，所述磨损监控装置垂直地布置，例如以垂直堆叠的配置。根据这些实施例的监控结构可以占据更紧凑的横向占地面积并且在监控装置内的不同深度处提供磨损应力的指示。类似于上面关于图55A-55C描述的实施例，这些实施例可以具有相同或不同的屏障、监视原子的相同或不同的储存，和/或相同或不同的监视区域。
图56A示出了根据实施方案的磨损监控装置560A的剖视图，该磨损监控装置560A被配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。类似于上面关于图55A-55C描述的磨损监控装置550A、550B和550C，根据实施方案，磨损监控器560A被配置为在用作基于横向的原子扩散的磨损监控器之前被初始化。然而，与上面关于图55A-55C所示的监控装置不同，其中监控结构横向地布置在基板上，监控装置560A的监控结构包括形成在基板62上的多个监控结构562-1、562-2…562-n，基板62包括相应的监视区域564-1、564-2......564-n。监视区域564-1、564-2...564-n通过屏障468与储库464分开。多个监视区域562-1、562-2......562n中的每一个都是细长的并且沿径向延伸并且一端接触屏障438，使得穿过屏障438的监控原子可以沿着长度方向在径向方向上从储库434扩散开。此外，基板64与储库434分离，使得它也可以用作监视区域。在描述的实施方案中，一个或多个监视区域564-1、564-2......564-n的每一个形成为条带、轨道或通道结构，其在平行于基板表面的横向方向上延伸，使得监控原子在一个或多个监视区域562-1、562-2...562-n中的每一个中横向向外扩散。
仍然参考图56A，类似于关于图55A-55C所示的实施例，在一些实施方案中，监控装置560A具有由相同或者不同的材料形成的监控区域562-1、562-2...562-n，具有相同或不同的尺寸(例如，长度)或者具有相同或不同的配置，使得不同的监视器区域562-1、562-2...562-n配置为以不同的速率和/或不同的浓度分布扩散监控原子。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，监视区域562-1、562-2...562-n被配置为基本相同。
图56B示出了类似于图56A的磨损监控装置560A的磨损监控装置560B的横截面图，包括到储库434和监控区域562-1、562-2...562-n的电连接。如图所示，磨损监控装置560A包括多个电触头566-1、566-2......566-n，例如通过触点，将监控区域562-1、562-2......562-n电连接到各种电路，包括例如控制电路和/或感测电路，如下文更详细描述的。另外，多个电触点566-(n+1)、566-(n+2)...566-(n+m)，例如通过触点，将储库434和基板64电连接到各种电路，包括例如控制电路和/或感测电路，如下文更详细描述的。
参考图56C的等效电路图560C，通过相应的电连接将电刺激分别施加到储库434与每个监控区域562-1、562-2...562-n之间的屏障438的相应区域使磨损监控装置560的监控区域562-1、562-2...562-n的每个区域被初始化，从而局部地改变屏障438的相应区域。一旦初始化，监控原子开始响应于磨损应力从储库434扩散到监控区域562-1、562-2...562-n中的相应一个中。因此，如所配置的，通过在不同时间改变屏障438的相应区域，可以有利地根据用户的偏好在不同时间初始化监视区域562-1、562-2...562-n中的不同区域。在监视器区域562-1、562-2...562-n由相同材料形成和/或以其他方式配置成具有基本相同的监控原子的扩散速率的实施例中，可以使用多个监视区域562-1、562-2...562-n执行多个监视运行。此外，通过将监视区域562-1、562-2...562-n配置为具有不同的长度，如图56A所示，可以在不同的持续时间内执行不同的监视运行。另外，在监视区域562-1、562-2...562-n由不同材料形成和/或以其他方式配置成在其中具有基本上不同的监控原子扩散速率的情况下，针对不同磨损应力优化的不同的监视区域562-1、562-2...562-n可根据用户的偏好在不同时间初始化磨损应力或水平。例如，在核心电路在不同时间经历基本上不同水平的热磨损应力的情况下，与监视器区域562-1、562-2...562-n中的一个相邻的屏障区域被配置为当核心电路暴露于相对高水平的热应力时(相对较高的温度和/或相对较长的持续时间)可以改变监控原子相对缓慢和/或具有更长的监测区长度。另一方面，与监视器区域562-1、562-2...562-n中的一个相邻的屏障区域被配置为当核心电路暴露于相对较低的热应力水平时(相对较低的温度和/或相对较短的持续时间)可以相对快速地扩散监控原子和/或具有较短的长度。举例来说，不同的监视区域562-1、562-2...562-n可以由具有不同成分的材料AxBy形成或包括具有不同成分的材料AxBy，其中A和B是可以按比例混合以改变其中监控原子的扩散速率的成分。例如，A可以是诸如Si的基板材料，并且B可以是Ge、C、Sn、O和N，仅举几个例子。
在初始化并经受磨损应力之后，由监视原子从储存库434扩散到监视区域562-1、562-2...562-n引起的监视区域562-1、562-2…562-n的电特性变化可以通过多个电触点566-1、566-2…566-n测量(例如使用合适的感测电路)。图56D示出了磨损监控装置560D的一个示例性实施例，其具有电连接到图56B的磨损监控装置560B的感测电路568，并且被配置为测量监控区域562-1、562-2…562-n的电特性的变化。在所示的示例中，监视区域562-1、562-2…562-n电连接到包括差分放大器的差分测量电路568，并且被配置为由可以确定的不同监视区域562-1、562-2...562-n接收的相对磨损应力的确定(基于来自不同监视区域562-1、562-2…562-n的测量电特性的差异)。差分测量电路568可以测量监视区域562-1、562-2…562-n中的任何两个或更多个之间的电特性的差异，这可以通过改变监控原子、储库组成，监控区域562-1、562-2…562-n的组成中的任何一个、监控区域562-1、562-2…562-n的形状和尺寸、屏障材料和初始化时间、以及由上述磨损装置560的各种配置产生的其他参数来产生。得到的电测量可以包括上述任何一种电特性，例如电阻率、漏电流、电容等。
参考图56E，根据一些其他实施例，示出了磨损监控装置560E的横截面视图。磨损监控装置560D类似于上面关于图56A/56B描述的磨损监控装置560A/560B，不同之处在于磨损监控装置560D具有两组共同连接到储库的监控区域568-1、568-2。两侧的监视区域可以配置为相同或不同，包括屏障和监视区域。
虽然在图56A/56B的所示实施例中，监视器区域562-1、562-2...562-n中的一个通过公共屏障438连接到公共储存器434，但实施例不限于此。例如，虽然未示出，但在其他实施例中，单独的和/或专用屏障438-B1、438-B2......438-Bn和/或分离和/或专用储库434-A1、434-A2......434-An可以连接到监视区域562-1、562-2...562-n中的相应监视区域。因此，以与上面关于图55C的实施例描述的类似方式，除了可配置为具有相同或不同的监视区域562-1、562-2...562-n之外，监控装置560还可以另外被配置为具有屏障438-B1、438-B2...438-Bn，其响应于不同水平的电刺激和/或储库434-A1、434-A2...434-An而具有不同类型和/或浓度的监控原子和/或不同的包含监控原子的矩阵或介质。
因此，在图56A/56B所示的实施例中，以与上述实施例类似的方式，储库、屏障和监视区域的不同组合可以被配置为对不同类型、不同幅度和/或不同的磨损应力持续时间特别敏感。
可以在半导体封装的背景下植入上面关于图43-56B描述的磨损监控装置的受控初始化或激活。引线键合技术广泛用于将集成电路互连到外部字。在下文中，描述了在线接合的情况下磨损监控装置的受控初始化的实现。
图57是根据实施方案的磨损监控装置570的图示，该磨损监控装置570被配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。特别地，磨损监控装置570包括基板64，基板64可以是包括集成在其中的金属化层的集成电路(IC)。磨损监控装置570包括形成在基板64中的一个或多个监控区域D1，D2，...Dn。一个或多个监控区域D1，D2，...Dn可以例如在一些实施方案中直接形成在IC的半导体材料中或之上，在其他实施例中可以在IC的金属化层上形成。磨损监控装置570另外包括形成在一个或多个监控区域D1，D2，...Dn上的一个或多个屏障438，以及形成在一个或多个屏障438上以用作储库434的一个或多个引线键合572。一个或多个屏障438可以以与上文描述的各种实施例类似的方式形成和配置。另外，一个或多个引线键合可以以与上述各种实施例类似的方式形成和配置，并且与引线键合技术兼容。在监控装置570中，有利地，引线键合本身包括监控原子并且因此用作储库434。例如，诸如金、银、铜和铂的元件可以用作监控原子以及提供与IC的电连接。
在操作中，可以以上述任何方式改变屏障438，以响应于磨损应力将监控原子的扩散初始化到监视区域D1，D2，......Dn中的相应一个中。随后，当监控原子扩散到监视区域D1，D2，......Dn上的相应区域时，和/或当相应监视区域的原子扩散到相应的引线键合时，跨越引线键合屏障-监视区域的电阻。不受任何理论束缚，可以引起电阻变化的一种机制可能来自称为柯肯达尔效应的现象，其与原子的相互扩散相关，从而导致原子空位的形成和随时间的空洞。
图58是根据实施方案的磨损监控装置580的图示，该磨损监控装置580被配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散来记录核心电路的磨损指示。监控装置580类似于上面关于图57描述的磨损监控装置570，除了用作储库438的一个或多个引线键合582-1、582-2...582-n中的不同的一个由不同的监控原子形成或包含不同的监控原子，例如金、银、铜和铂，仅举几例。磨损监控装置580的其他特征的描述与上文关于图57所示的磨损监控装置570的描述类似，在此省略。因此，在图58的所示实施例中，以与上述各种实施例类似的方式，储库、屏障和监视区域的不同组合可被配置为对磨损应力的不同类型、不同大小和/或不同持续时间特别敏感。
图59示出了根据实施方案的系统590的横截面视图，例如，封装级或板级集成系统，包括多个磨损监控装置592A、592B、592C，其中每个磨损监控装置被配置为记录基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散的核心电路的磨损指示。在一些实施方案中，系统590是嵌入式系统，其中在制造过程期间将各种组件嵌入基板(例如，PCB基板)的层内。特别地，横截面视图示出了嵌入在基板的相应层内的多个磨损监控装置592A、592B、592C，其中每个监控装置可被配置为除其他事项外监视系统590内的不同层(或下一个/靠近特定组件)的温度波动和/或任务轮廓。
仍然参考图59，磨损监控装置592A、592B、592C可具有不同配置的各种特征，用于在不同时间监测不同的磨损应力和/或监测磨损应力。如图所示，根据实施方案，磨损监控装置可以作为封装级集成系统的一部分与其他无源/分立元件和/或包括要受保护的核心电路的微处理器一起嵌入或合并。另外，根据实施方案，磨损监控装置可以连接或链接到协调ASIC以及可以是可修改的链路(例如，可以被熔断或电气修改的熔丝)。
在上面描述的各种实施例中，已经描述了磨损监控装置，其被配置为记录核心电路的磨损指示，其中可以通过电刺激来改变屏障以初始化磨损监控。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，可以使用光能来改变屏障。图60A示出了根据实施方案的系统600的横截面视图，例如封装级或板级集成系统包括多个磨损监控装置602A、602B，其中每个磨损监控装置被配置成基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散记录核心电路的磨损指示。与上面关于图43-59描述的磨损监控器不同，其中屏障(当存在时)被配置为被改变以响应于电刺激(例如电压或电流脉冲)来初始化磨损监控装置600A、600B，其又可以通过焦耳加热产生热量，这导致屏障被改变，在磨损监控装置600A、600B中，屏障被配置为响应于光能而被修改。系统600可以包括各种其他组件，例如，无源/有源组件、ASIC等，如上所述。
封装级系统590的所示封装是基于有机层压板的封装。然而，实施例不限于此，并且封装也可以基于陶瓷材料以保护封装的部件。如图所示，各种部件可以由包装材料嵌入或覆盖，例如，有机层压材料以保护各种部件免受湿气等。为了允许屏障在磨损监控器中的光学访问，在一些实施方案中，光学透明的开口或孔可以穿过钝化层和/或磨损装置600A、600B的绝缘包装(当存在时)形成。开口或孔在一些实施方案中可以用盖子密封。在一些其他的实施方案中，开口可包括光学有源帽，其可被配置为透镜、滤光器或其他光学组件。当存在时，滤光器可以选择性地通过所需的波长，并且当存在时，透镜可以聚焦光以提供增加的光强度以引起局部温度升高。在一些其他的实施方案中，盖子还可以配置成保护磨损传感器。
仍然参考图60A，在一些实施方案中，屏障由直接由光子改变的材料形成。例如，屏障可以由有机材料形成，例如聚合物材料，其可以通过光子改变。在其他实施例中，屏障由通过光间接改变的材料形成，例如由光产生的热量。可以改变屏障的光能源可以是光源，例如可见光、红外线、紫外线和X射线源，包括激光器、发光二极管、灯等。
图60B示出了根据实施方案的系统的横截面视图，例如，封装级或板级集成系统610，其包括集成在其中的多个磨损监控装置612A、612B，其中每个磨损监控装置被配置为记录基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散的核心电路的磨损指示。系统610可以是类似于上面关于图60所示的系统600的预制系统，其包括磨损监控器602A、602B。系统610可以被配置为安装在另一个系统614上。在实施例中，系统614可以包括各种控制和感测电路以控制和感测磨损监控装置612A、612B，其可以在ASIC中实现。有利地，所示配置允许定制/预制系统610包括各种嵌入式磨损监控装置612A、612B，其耦合到协调系统610的各种活动的系统614。
基于相互扩散的具有磨损指示的磨损监控装置
在上述磨损监控装置的各种实施例中，核心电路磨损的指示基于测量与监测原子从储库进入监测区域的原子扩散效应相关联的电气特性。例如，储库可以是包含形成在基板表面上的监控原子的层。监测区域可以是例如一块基板材料，其用作监测原子的扩散介质。
对于一些材料组合，当第一材料与第二材料接触时，第一材料的原子扩散到第二材料中，而第二材料的原子扩散到第一材料中。这种现象称为相互扩散。根据本文描述的各种实施例，监控原子的监控区域和储库被配置为使得监控原子和监控区域的原子响应于磨损应力而相互扩散。在这些实施方案中，在储库中得到的组成变化可以产生磨损应力的可测量的电学特征。因此，在下面描述的实施例中，与上述实施例不同，可以将储库视为监视区域，并且可以将基板视为扩散剂或监控原子的源。
图61示出了根据实施方案如何配置磨损监控装置，使得可以利用基于原子的相互扩散的核心电路的磨损指示。图61示出了上面关于图47描述的磨损监控装置470，根据实施方案其被配置为基于位于磨损监控装置内的监控原子的原子扩散记录核心电路的磨损指示。如上所述，磨损监控装置470具有设置在基板表面上的一个或多个监控原子(即，第一和/或第二电极408a、408b)的储库和形成在基板450中的监控区域(例如，在第二重掺杂区域454b下面形成的耗尽区)。例如，就图42A而言，量化核心电路磨损的一种方法是在不同时间暴露于磨损应力之后测量漏电流，例如穿过PN结的反向偏置漏电流。因此，如图42A所示，随着磨损应力(例如，热应力)的增加，增加的泄漏电流可用于量化核心电路的磨损。
扫描电子显微镜(SEM)图像614示出了量化磨损的另一种方法。SEM图像614是在经受用于产生关于图42A所示的实验数据的磨损应力之后用作由金形成的储库的第一电极408a的代表性图像。如SEM图像614中所示，在200℃下经受热磨损应力1-9天后，在用作金储库的第一电极408a上形成二氧化硅表明发生了相互扩散。也就是说，当金从金电极扩散到硅基板中的PN结导致反向偏置电流增加时，硅从基板扩散到金电极导致形成氧化硅，氧化硅由氧原子到达金电极表面。
图62A示出了根据实施方案的磨损监控装置620的横截面视图，该磨损监控装置620被配置成使得可以利用基于原子的相互扩散的电子签名。磨损监控装置620在基板64上形成一个或多个电极，例如第一参考电极622和第二参考电极624，以及储库434。第一和第二参考电极622、624中的每一个通过永久扩散屏障626与基板64分离。在一些实施方案中，第一和第二参考电极622、624和储库434最初具有包括监控原子的相同的组成和/或尺寸。此外，在一些实施方案中，第一和第二参考电极622、624之间的间隔以及第二参考电极624和储库434之间的间隔最初具有相同的尺寸。
在操作中，如上面关于图61所述，储库434和基板64具有这样的成分，使得在磨损应力下，例如热应力，储库434中的监控原子和基板64的原子相互扩散使得监控原子扩散到基板中并且基板64的原子扩散到储库434。相反，永久扩散屏障626的存在防止第一和第二参考电极622、624从基板64扩散进出基板64。基板64和储库434之间的相互扩散导致储库434的化学成分发生变化，这反过来又导致储库434的电特性发生变化，而第一和第二参考电极622、624的化学成分和电特性保持相对不变。可以改变的储库434的电特性包括储库434的电阻率和储库434与其他导电结构(例如第二参考电极624)之间的电容。
作为一个说明性示例，当储库434由金形成并且基板64由硅形成时，金扩散到基板64中，同时硅扩散到储库434中。如上面关于图61所述，发明人已经发现，储库434和/或由于在储库434上形成氧化硅628，相互扩散导致储库434结构变化。结构变化反过来导致可以使用感测电路进行电测量的储库434的电气特性发生变化。
图62B示出了根据实施方案图62A中所示的磨损监控装置620的特写视图，该磨损监控装置620电连接到感测电路629，该感测电路629被配置为检测与原子的相互扩散导致的储库424的结构修改相关联的电子签名。可以使用感测电路629在磨损监控装置620上测量的核心电路的磨损的一个示例性电特征是储库424的电阻率。由于储库424中存在硅原子和/或如上所述在储库424上形成氧化硅，储库424的电阻率可能增加。可以在磨损监控装置620上测量的核心电路磨损的另一个示例电气特征是用作第一极板的储库434和用作电容器的第二极板的另一个导电结构之间的电容。例如，第二参考电极624可以用作电容器的第二极板，其电容值可以随着磨损应力的变化而变化，例如，热磨损应力。随着第二参考电极624和储库434之间的间隙中的氧化硅628的厚度增加，电容变化例如增加，其变化可以定量地与核心电路已经暴露的总磨损应力相关联。此外，在包括第一参考电极622的实施例中，第一和第二参考电极622和624之间的电容可以用作相对于第二参考电极624和储库434之间的电容变化不会改变或显着变化的参考电容。有利地，由于基板原子扩散到储库434中而导致的电特性的变化，磨损监控装置624不依赖于半导体器件结构，例如在基板64中形成的PN结。
图63A-63D示出了根据实施方案磨损监控装置630的横截面视图，该磨损监控装置630被配置成使得基于原子的相互扩散的电信号可用于测量核心电路的磨损。磨损监控装置630的配置类似于上面关于图56A-56D描述的磨损监控装置560，其中监控区域562-1、562-2...562-n可以电连接到如上关于图56D描述的感测电路568，感测电路568被配置成使得监视区域562-1、562-2...562-n的电特性，例如，与储库434相关联的电阻和/或电容，由基体64的基板原子扩散到储库434中，可以单独测量。
在磨损监控装置630中，除了或代替连接到监控区域562-1、562-2...562-n，如上面参考图56A-56D所述，监控装置630连接到储库434并被配置成测量由基板64的原子扩散到储库434中引起的储库434的电特性的变化，包括电阻(图63B)和电容(图63C/63D)。因此，与上面关于图56A-56D描述的感测电路568不同，关于图63A-63D所示的感测电路632a-632c可以在有或没有与监控区域562-1、562-2…562-n的电连接时测量储库434的电气特性的变化，从而提供核心电路的独立磨损指示。
另外，如图63A-63C所示，储库434的电特性的变化，例如，与储库434相关联的电阻和/或电容，可以由体基板64的基板原子扩散到储库434中引起。另外或可替代地，储库434的电特性的变化可以通过从储库434的表面上形成的种子材料扩散原子引起。
图63B示出了磨损监控装置630，其电连接到感测电路632b，感应电路632b被配置为测量与基板64的原子扩散到储库434相关联的电阻的变化。关于图63B所示的感测电路(例如，电压变化检测电路)包括模数转换器(ADC)635和电流源634，用于检测与基板(例如硅)原子扩散到储库434(由金组成)或与储库434上的氧化硅生长有关的电阻变化，如上面参考图56A-56D所述。
图63C示出了电连接到感测电路634的磨损监控装置630，感测电路634被配置为测量与储库434的表面上的氧化物的形成相关联的电容的变化。关于图63C所示的感测电路634包括，例如，代替直接连接到储库434，间隙电极636在间隙电极636和储库434的表面之间具有初始预定的间隙间隔。参照图63D，随着储库表面上的氧化物的厚度随着磨损应力的增加而增加，如上面关于图56A-56D所述，间隙间隔与氧化物厚度的增加成比例地继续减小。间隙电极636和储库434之间的电容的所得变化可与磨损应力相关联。
磨损监控装置配置为用于时间分辨监控
如关于上述各种实施例所描述的，诸如监视区域的漏电流、电阻或电容的电特性可用于获得监视区域的某些位置处的监视原子的浓度。监控原子的浓度又可以指示扩散分布，其可以用于构建磨损应力的综合历史。另外，如图64A所示，基于在受到磨损应力之前和之后的监控原子的初始和最终浓度分布640，可以获得与磨损应力的累积历史相关的信息，例如恒定的热磨损应力，如温度时间曲线642所示。然而，在各种应用中，如关于图64B所示，核心电路可能经受磨损应力(其大小随时间变化)，例如核心电路上随时间变化的温度应力，如温度-时间曲线646和所得到的浓度分布644所示。在这些应用中，可能需要配置磨损监控装置，使得可记录时变磨损应力的指示。
为了解决这个和其他需要，根据各种实施例，磨损监控装置被配置成使得在响应于磨损应力(例如，热磨损应力)在监控区域中记录扩散轮廓之后，磨损监控装置被配置为沿横向向监控区域施加电场。在监视区域中扩散的监控原子具有电荷状态，使得当电场施加到其中扩散有监视原子的监视区域时，电场使监控原子在监控区域内进一步向横向扩散。也就是说，由磨损应力产生的扩散轮廓以类似于传送带的方式横向平移。
测量平均温度对于估算器件的工作寿命很有用，但平均过程本质上意味着不记录温度曲线中的峰值和谷值。能够以更高的粒度辨别具有更大粒度的装置的温度历史将是有益的，因为较高温度的时段造成最大的损害。图65是示出作为时间的函数的变化的温度分布的示意图650。从图中可以看出，该示例中的温度在180℃至大约30℃的峰值之间变化，并且在大约110℃的平均时间段内，导致在不同时间t1、t2和t3监视区域中监视原子的浓度分布652的快照。
但是，如果我们可以形成由线12表示的移动平均线，则可以更准确地记录由设备经历的极端温度引起的损坏。这将允许更准确地评估破坏性高温的影响。
将有效电路作为时间的函数记录到存储器中当然对于受电设备是可行的，尽管存储器或处理能力对于设备在很长一段时间内可能是繁重的。但是，如果设备未通电或处于极低功率状态，则这种记录过程将不起作用。
发明人意识到扩散过程可以与合适的监控结构耦合，有时在本文中称为记录结构，使得温度随时间的变化可以记录在设备中。此外，即使设备未被供电或处于非耗电状态，也可以实现这种记录。
如本文所述，无论磨损监控装置(此处也称为磨损监控器传感器)和/或监控结构是否被供电，都可以发生记录由监控原子的扩散曲线表示的部件的物理状态。然而，可以通过向磨损监控装置和/或监控结构提供电力来执行电测量状态。在这种情况下，记录与扩散分布相关的物理状态将与记录数字信息区分开，例如在存储设备中。
图66A-66C是根据本公开的第一实施例的温度磨损监控装置660的剖视图。温度磨损监控装置包括暴露于合适材料的第一区域1020，在该示例中是小体积的金1022，其与第一区域1020的上表面1024接触。第一区域1020与用作扩散历史存储器的第二区域1030接触，其捕获作为时间的函数的扩散速率。在使用中，第二区域1030经受电场，该电场可以是外部施加的电场或由半导体材料内的渐变杂质浓度产生的固有电场，非常类似于在p-n结上产生的内部电势差。图66A/66B中所示的概念布置可以以许多不同的方式实施。区域1020和1030可以是半导体内的区域。在使用中，监控原子(有时在本文中称为溶质)将与半导体相互作用以变成供体或受体杂质。在金作为监控原子/杂质的情况下，金通过接受电子(较低能态)而变得有效带电，并且金原子周围的电子云被电场拉动。然后电子云拉动金原子。这被称为双极运动。
图67示出了图66A的结构的变型，其中金1022的金属块已经沉积在二氧化硅1032的绝缘层上，并且第一区域1020由块1022和半导体材料1030的层之间的垂直界面形成，并且也沉积在绝缘层1032上并用作第二区域。层1032可以形成在基板1040上。关于该主题的进一步变化是可能的。
为了记录温度相对于时间的变化，已经进入区域1020处的硅的材料远离该区域移动并存储在存储器结构中。虽然区域30提供用于存储材料的存储器，但是由区域1020移动材料(例如，扩散的金(在该示例中))由另一机构提供。这可以通过在装置上施加电势使得金以已知且可控的速率沿第二区域1030漂移来完成。潜力可以由外部源提供，如图68所示。这里，电压源1050连接到电极1052和1054。如图所示，电极1052可以靠近金1022或与金1022接触。电极1054远离第一电极1052放置，使得第二区域1030插入电极1052和1054之间。例如，以二氧化硅填充的沟槽1060的形式，绝缘屏障可以用于抑制电极1052和1054之间的电流流动，使得在存储器的操作期间基本上没有能量从电压源1050汲取。因此，电压源1050可以由电容器实现，该电容器在温度磨损监控装置的制造和/或封装期间被给予初始充电，期望电容器可以在与温度磨损监控装置相关联的电路的工作寿命期间保持合适的电压。
杂质(例如金)的漂移速度与E-场成比例，因此与V成比例。
结果，沿区域1030的任意距离L与从L＝0处的注入的时间段tL有关
Figure BDA0001897958180000911
其中KD是漂移速度系数。
图69是构成本公开的另一实施例的温度磨损监控装置的横截面。本实施例中的温度磨损监控装置可以在没有外部电压源的情况下工作。如前所述，应用E-场以使扩散的贵金属(例如金(或其他非贵金属监控原子))远离第一区域1020移动，并且以已知且可预测的速率移动。在该实施例中，E-场由第二部分1030内的渐变掺杂分布提供。第二部分1030可以被掺杂以形成延伸的PN结，或者第二部分1030可以掺杂有单极性的渐变分布，即N型或P型。图69中示意性地示出了掺杂剂之一的掺杂浓度。例如，供体杂质(例如磷)的浓度在第一区域1020附近可以相对较低并且在指定为1070的体积中相对较高，其远离第一区域1020。相反，受体杂质例如硼的浓度因为可以在区域1070中相对较低并且在靠近第一区域1020的区域1072中相对较高。图70A是显示掺杂浓度的曲线图，其中最接近第一区域1020的末端具有大约1013个杂质/cm3的掺杂浓度，在20微米的距离上以逐步的方式上升到大约1018个杂质/cm3。这样的掺杂分布可以通过掩蔽第二区域的表面然后蚀刻掩模中的孔来实现，其中孔的浓度变化使得掩模在一端基本上是敞开的或完全打开的，并且在另一端主要是封闭的，即仅有几个孔，孔密度在其间变化。一旦移除了掩模，就可以对基板进行热处理，以使磷扩散离开注入位置，从而产生线性渐变轮廓的逐步近似，这又产生电燃料分布(如图70B所示)，并且器件两端的电压电位随距离而变化(如图70C所示)。
图71示意性地示出了在静电场的影响下，进入第二区域1030的监视原子的“斑点”如何沿着第二区域作为时间的函数前进。在不同时刻拍摄的多次拍摄T1至T5上显示了扩散金的浓度，例如相隔一个月、相隔六个月或相隔一年，尽管更长或更短的时期也是可能的，这取决于沿第二部分1030作用的电压梯度。因为金通过第一部分1020扩散到第二部分1030中，所以金具有变化的密度分布。为简化图解，黄金的密度由图中的阴影区域表示。区域1080表示第一高浓度的一部分，区域1082表示第二(浓度)浓度的区域，区域1083表示浓度进一步降低的第三区域。E-场用于沿着存储器部分1030迁移该材料区域，并且在图中从左到右。与此同时，黄金仍将受到一些扩散。因此，块1080、1082和1083由于E-场的作用而从左向右平移并且由于扩散的作用而扩散。因此，在时间T2，区域1080已经转换到新位置，并且现在在任一侧被浓度降低的区域1082和进一步降低浓度的区域1083限制。
到达T3时，区域80已经扩散得太多，以至于不再存在第一浓度的金。浓度已经下降到1082所代表的范围，由浓度降低1083c和第四浓度(进一步降低)1085的区域限定。到达T4时，由区域1082表示的第二级浓度不再存在，而是具有由第四浓度1085的区域限定的区域1083，以及第四浓度1087和第六浓度1088的区域。
到达T5时，杂质块扩散到变宽，由第四、第五和第六浓度的区域组成。因此需要注意的是，当监视原子作为E-场的函数从左向右漂移时，它也由于扩散而变宽。图72以图形方式表示与图71相同的信息，但是现在示出了随着时间从T1到T6的进展而针对标称中心位置的扩散分布，对于已经在时间T0进行的接触区域。
如前所述，有效初始浓度是温度的函数，经过一段时间后磨损监控装置中记录的实际掺杂浓度由于金和半导体之间界面温度的变化而被认为是各种监控原子浓度的卷积。
已经成功地证明了将主要温度编码到半导体的一部分内的空间调制的掺杂分布的机制，该半导体充当磨损监控装置和存储器，需要能够从存储器寻址和读取数据。
图73是阵列读取装置的第一实施例的截面图，其中多个电极1100、1102、1104、1106和1108以间隔开的方式形成在半导体的第二区域30内。尽管仅示出了五个电极，但是可以提供更少或更多的电极。为了避免设置肖特基屏障，可以在小的高掺杂区域1100a至1108a上沉积电极1100至1108中的每一个。
每个电极可以由多路复用器选择，或者每对电极可以由多路复用器选择，以使其与测量电路接触，这样可以测量相邻电极之间的漏电流或者任何选定的一个电极1100到1108之间的漏电流，还可以确定形成在层1030下方或层1030的一侧的另一电极或半导体区域。
图74以平面图示出了图73的布置。
图75是沿着图73的线AA'穿过器件的横截面，其中第二区域1030已被掺杂成N型区域(根据设备是否能够以无动力模式运行，可以使用或不使用分级掺杂分布)。第二区域1030形成为P型阱1110内的细长指状物。通过高掺杂区域1113对P型材料1110形成接触1112。半导体的表面被钝化层1115覆盖，例如，二氧化硅，除了形成触点1112和1116之外。阱可以通过另外的掺杂区域(如果需要)限制，以便形成反向偏置的p-n结或如图75所示的绝缘壁，如在绝缘体上硅制造技术中已知的那样。
在另一实施例中，如图76所示，可以沿第二区域1030的长度在空间上形成多个晶体管。形成该图示晶体管1120、1122、1124、1126、1128、1130、1132、1134、1136、1138、1140、1142、1144、1146、1148、1150、1152、1154、1156和1158，使得它们的有源区之一，例如它们的漏极，位于半导体区域1030的一侧，而另一个它们的有源区域，例如它们的源极，位于区域1030的另一侧。磨损监控装置可以根据所需的时间分辨率和使用时间以各种尺寸形成。无限制磨损监控装置的长度可以从几十微米到几百微米。
晶体管结构可以是JFET或MOSFET或类似结构。在JFET构造中，漏极-源极掺杂可以在第二区域1030下方延伸，并且第二区域可以用作栅极。在MOSFET结构中，第二区域可以与漏极和源极区域具有相同的半导体类型，以便在漏极和源极之间形成沟道，并且可以在第二区域1030上提供另一电极。在其他实施例中。可以掺杂围绕并包括第二区域1030的半导体，以便形成双极结晶体管，其中区域1030可以例如形成细长基底。可以在区域1030的选定部分附近或内部提供发射极区域，并且可以对发射极区域进行接触。邻近区域1030的另一种植入物可以用作收集器。集电极区域可以由双极结晶体管共享，或者每个晶体管可以用其自己的集电极制造。
在读取期间，可以将参考电压施加到第二区域1030，然后可以确定晶体管1120到1158的参数，该参数是各个晶体管中的每个晶体管的沟道部分中的掺杂的函数。参数可以包括夹断电压、泄漏、增益、频率响应等。
可以读取这些参数中的每一个，但实际上也可以是在设备上读取数据时作为管芯温度的函数的变量。因此，希望包括另一个读取结构，其定位使得它不受监控原子的扩散的影响。这可以通过将读取结构以这样的距离(使得监视原子的扩散在装置的工作寿命内、在漂移场抑制监视原理干扰参考装置的操作的区域内不大可能实现)放置在第二区域1030的远端或通过在半导体的隔离区域中制造参考装置实现。
可能存在需要改变掺杂剂材料的能力的情况，例如，金，以扩散到半导体中。例如，如果温度低于结果大部分相关的第一阈值，或者高于金扩散太快的第二温度范围，则可能希望抑制扩散。在这种情况下，可能希望进一步使用磨损监控装置和其他不同的掺杂材料。
例如，如果希望在高温范围内测量，则应选择具有较高活化能的杂质或监控原子。银具有1.6eV的硅活化能，适合在较高温度下使用。
为了在数百度的温度下监测，活化能为2.2eV的铂或活化能为3eV的铝可能是合适的。
对于较低的温度，可以使用活化能为1.0eV的铜或活化能为0.76eV的钠。该列表并非详尽无遗，仅作为示例给出。
图77示意性地示出了磨损监控装置布置，其中掺杂剂1022保持在悬臂1200上。悬臂可以由具有不同热膨胀系数的相邻材料的相邻层形成。因此，悬臂的作用类似于双金属条带，在其变暖时倾向于在一个方向上弯曲，在冷却时倾向于在另一个方向上弯曲。弯曲方向的选择由设计师自行决定。因此，掺杂剂材料1022可以在第一温度范围期间被保持远离温度磨损监控装置，并且在第二温度范围内被迫与温度磨损监控装置的第一区域1020接触。如果最上层1202比最下层1204膨胀更多，则可以随着温度升高而形成接触，如果最下层1204具有比层1202更高的热膨胀温度系数，则可以随着温度的升高而被抬起。结合沿着阵列扫描掺杂剂的电场，这允许采用更加二元的温度感测方法，具有相对高浓度的掺杂剂，表明条带支撑掺杂剂1022与表面接触，并且相对低的浓度表明掺杂剂1022已被拉开而不与半导体表面接触。
在某些情况下，可能希望在某些事件之后，例如在第一次加电之后禁止记录或启用记录温度。这种布置可以通过使用类似于图77中所示的结构来实现，其中掺杂剂1222承载在电控微电子机械系统上的可移动悬臂上。这种MEMS系统，例如开关，是本领域技术人员公知的。
例如，在图78所示的布置中，悬臂可以被自然偏置，使得它与第一区域1020中的半导体材料接触掺杂剂1022。然而，通过向图78中所示的跷跷板装置的相对侧上的控制电极1210施加电压可以打破该接触，从而提升掺杂剂1022不与第一区域1020接触。因此，在控制触点1210上提供合适的电压可以用于拉动掺杂剂1022而不与第一区域1020接触。类似地，如果控制电极形成在开关的与电极1210相对的另一侧上，则电极可用于拉动掺杂剂与区域1020接触。
还可以使用将监控原子材料块1022移动到和/或不与半导体接触的其他机制。例如，横跨在一侧暴露于流体的膜上的机械力可用于形成压力磨损监控装置以记录过压或欠压事件。此外，如果接触足迹被描绘成使得接触区域随压力变化，那么过压事件的大小可以被编码在监控原子浓度内。
图79示意性地示出了数据检索电路，该电路可以嵌入具有上文所述的温度磨损监控装置的模具上。提供多路复用器1250以选择与读取结构交互的多个输入1260.1至1260.n中的一个。因此，如果读取结构形成为多个二极管类结构，则输入1260.1至1260.n选择图84中所示的各个电极844。然而，如果读取结构由晶体管形成，则输入1260.1至1260.n可以在图76中所示的晶体管1120至1158中的各个晶体管之间进行选择。多路复用器的输出被提供给差分放大器1270的第一输入。差分放大器1270的第二输入接收来自参考信号发生器1280的参考信号。参考信号发生器1280可以由与磨损监控装置中使用的相同的读取装置形成，但没有提供监控原子的来源。参考装置1280用于补偿读取时读取电路上的温度影响。由放大器1270输出的差信号由数模转换器1290数字化并提供给数据处理器1300。数据处理器1300可以由可编程数据处理器实现。或者，它可以实现为控制多路复用器1250的状态机和查找表的组合，以便转换每浓度的输出电压。数据处理器1300提供输出1302。输出1302可以由设计者选择的接触或无线通信链路提供。其他电路配置也是可能的，例如将测量组件配置成类似惠斯通电桥的电路。
这里描述的电路可以在功能管芯上实现。或者，本文所公开的电路可以提供在专用管芯1320上，该专用管芯1320与包含芯片级封装1324内的功能电路1322的管芯共同封装，如图80中示意性所示。
到目前为止所描述的布置适合于温度磨损监控装置。然而，考虑到扩散速率也是浓度的函数，则本文公开的教导也可以应用于浓度监测器。
图81示意性地示出了根据本公开的教导的浓度监测器的平面图。通常标记为1330并在平面图中示出的浓度监测器包括两个或三个通道。可以包括的第一通道1332是温度参考沟道。可以包括的第二通道1334是温度测量通道，并且可以包括的第三通道1336是浓度测量通道。第二通道1334由上文描述的实施例之一形成。类似地形成第一通道1332，但不包括监控原子1022的源极。浓度通道1336的形成与温度通道1334非常相似，但是相反，没有施加金1022并且形成孔1360，使得已经测量其浓度的第二监控原子或试剂可以扩散到第三通道1336的第一区域中。每个通道包括上文所述类型的测量结构，并连接到合适的数据处理电路。温度通道1334可以类似于关于各种实施例描述的温度磨损监控装置，例如，关于图66A/66B，并且可以包括第一区域和第二区域，其中第一区域适于暴露于第一监控原子，第二区域适于使第一监控原子远离第一区域迁移。当包括时，温度参考沟道1332包括对应于温度通道1334的第二区域的第三区域。当包括时，浓度测量通道1336包括第三区域和第四区域，该第三区域包括孔1360以暴露第二监控原子或试剂，该第四区域与第三区域接触并适于沿第四区域迁移第二监控原子或试剂。
在上文所示和所述的布置中，磨损监控装置保持温度集中的永久记录。这是通过在固有电场或内置电场或外加电场的影响下使杂质原子沿着磨损监控装置的主体从杂质源漂移来实现的。沿第一方向施加电场。通过扫描杂质原子远离读取结构，也可以使用提供电场来周期性地清除磨损监控装置。在图82中示意性地示出了这种布置，其中在半导体1400的区域的表面处形成监控原子1022的源和标记为1380的读取结构。在使用中，监控原子通过掺杂设置的固有电场在X方向上扫过半导体，或者如此处所示，通过施加在电极1410和1412之间的电位差V1。然而，有时，施加在电极1420和1422之间的第二电压V2可用于沿Y方向扫描杂质原子。如果V2远大于V1，则可以看出，通过施加第二电压V2以将杂质原子扫出测量/读取区域1380，可以有效地重置读取结构1380。
图83示出了根据实施方案的磨损监控装置840，其被配置用于核心电路的磨损的时间分辨监控。所示的器件结构类似于上面描述的那些。应当理解，耗尽宽度与掺杂剂浓度的关系图(例如所示的)可以用于调整耗尽区的相对宽度(深度)和/或灵敏度作为监控区域。
图84示出了根据实施方案的磨损监控装置840，其被配置用于核心电路的磨损的时间分辨监控。图示的器件840在垂直和横向方向上包括多个PN结区域，其中P区域之一上形成有扩散剂或监控原子的储库，并且P和N区域中的每一个上形成有电极844。如所配置的，多个触点允许与扩散的扩散剂原子的量相关联的电气特性(例如，漏电流)被记录为垂直和/或水平位置的函数，这又可以指示时间历史。另外，如下面更详细讨论的，通过利用具有电荷的扩散剂原子，电极可以用于“快进”或“倒带”扩散剂原子的运动。
图85示出了多个磨损监控装置，其中根据应用，可以使用上述不同特征的组合来启用和协调不同的磨损监控装置。图85中的磨损监控器具有在监控原子的储库和下面的基板之间形成的屏障层。如上所述和所示，可以通过施加刺激(例如电压)在不同时间初始化各个磨损监控器，以改变或消除各个磨损监控装置的屏障层，从而初始化磨损监控装置。初始化的磨损监控装置准备将监控原子从储库扩散到基板中，并且可以测量由此产生的电特性的变化。
图86示出了多个磨损监控器排列成阵列，其中访问各个扩散监控装置可以通过熔丝协调。例如，在第一磨损监控装置D1的特定时间段/工作寿命之后，可以熔断连接到第一磨损监控器D1的第一熔断器F1，并且随后将电压施加到第二磨损监控装置D2，使得D2是活动的监视器。使用特定于应用的多路复用系统，可以协调不同的输入/输出(I1...In)(这样可能不需要熔断器)，并且有效地显示原子从不同监视器扩散的相对差异的电输出可以提供有价值的信息。
图87-94示出了根据实施方案的磨损监控装置的实施例，该磨损监控装置具有多个磨损监控装置或电气连接到感测电路的区域(例如，D1，D2，...)，其中感测电路被配置用于监控(例如，时间分辨监控)核心电路的磨损。
图87示出了根据实施方案的磨损监控器的布置，其包括多个磨损监控器或区域(D1，D2，......Dn)，每个区域连接到晶体管和用于时间分辨监控的感测电路。
图88示出了根据实施方案的磨损监控器(左侧的剖视图，右侧的平面图)，其包括多个储库434，每个储库434包括通过屏障438与基板62分离的监控原子。类似于关于图43A所示的磨损装置，每个储库包含监控原子(例如Au)，并且当施加足够的电刺激(例如电压或电流)以启动监控原子的扩散时，每个屏障438由可被消除或消耗的材料形成。每个屏障438可以连接到晶体管以提供电刺激。如平面图所示，屏障438被配置为在设置储库或监控原子的区域中的薄膜，使得施加到屏障438的高电流通过例如熔化或电迁移在屏障438中形成开口以引发扩散。
图89-94示出了根据实施方案的磨损监控器，其包括基板(例如，Si)，其上形成有监控原子(例如，Au)的储库和用于时间分辨监测的多个电极(D1，D2，......Dn)。如在别处所述，D1，D2，......Dn中的每一个可以形成在基板中形成的PN结上，其中耗尽区可以用作监视区域。
图89示出了基板连接到“快进”和/或“倒带”电路，并且被配置为根据监控原子的充电状态，通过沿左或右方向流动电流，使监控原子向左或向右横向扩散，一旦监控原子从储库扩散到基板。
图90示出了根据实施方案连接到反向偏置泄漏多路复用测量电路的电极。在一个实施方案中，当将正极施加到n+区域(例如+1V)时，二极管将处于反向偏压下将在正极端子和负极端子上强制约0V。
图91示出了根据实施方案连接到反向偏置泄漏多路复用测量电路的电极，该测量电路包括用于差分测量的参考结构。
图92示出了多个监视MOS晶体管T1，T2，......TN，其栅极用作电极D1，D2，......Dn......。根据实施方案，监视MOS晶体管以及参考晶体管连接到差分放大器，用于差分测量。该电路被配置为在MOS晶体管导通时测量MOS阈值电压的移位以及其他参数，其移位可以由监控原子扩散到MOS晶体管的沟道中产生。在操作中，当MOS晶体管的阈值电压偏移时，检测节点处的电压相应地改变。测量可以是单端或差分。
图93示出了多个监视MOS晶体管T1，T2，......TN，其栅极用作电极D1，D2，......Dn......。监视MOS晶体管连接到电流源。该电路被配置为在MOS晶体管截止时测量通过通道的漏电流等参数。在操作中，在检测节点最初被电流源拉高之后，通过可能已经在其中扩散的监控原子产生的通道的电流泄漏将检测节点拉低。
图94示出了被配置为测量反向偏置恢复电流的感测电路。电极被配置为通过反相器/缓冲器接收用于驱动二极管从正向偏压到反向偏压的控制信号。当二极管从正向偏压驱动到反向偏压时，Rin左侧的电压被大致拉至GND。由于二极管反向恢复，Rin左边的电压被拉低到GND以下。该信号被放大并转换以测量二极管反向恢复。
图95A示出了根据实施方案的感测电路950，其被配置为测量反向偏置恢复电流，其包括监视二极管952并且被配置用于监视核心电路的磨损。已经认识到，当从导通状态切换到阻断状态时，二极管或整流器已经存储了在二极管阻止反向电流之前必须首先放电的电荷。这种放电需要一段有限的时间，称为反向恢复雾或trr。在此期间，二极管电流可以反向流动。发明人已经发现，由于磨损应力，这种二极管的反向恢复时间(trr)由于杂质(例如金)进入二极管的PN结而改变。根据实施方案，基于这种效应，核心电路的磨损可以半定量地确定。图示的电路950被配置为将监视器二极管952从正向偏置配置切换到反向偏置配置，并测量从其反向恢复，以半定量地确定由磨损应力产生的杂质的量、类型和/或位置。
图95B示出了在图96A所示的感测电路950的不同节点处测量的电流和电压，因为监控二极管952从正向偏置配置切换到反向偏置配置。从页面顶部示出的四个曲线图对应于二极管952两端的电压、二极管952两端的电流、串联连接到二极管952的电阻器两端的电压和放大器两端的输出电压，作为时间的函数。如图所示，来自页面顶部的第二图表示当二极管952在不同区域上转换时测量的电流，包括正向偏置区域、正向恢复区域和反向偏置区域。来自放大器的正电压输出可用于半定量地确定核心电路的磨损。
图96A示出了包括参考二极管962的参考电路960，参考电路962没有在其中扩散的杂质。参考电路960包括与上面关于图95A所示的感测电路950的电路组件相对应的各种电路组件，除了代替被配置为监视核心电路的磨损的监控二极管952之外，参考电路960包括参考二极管962。参考二极管962例如不包括被配置为扩散到二极管962的耗尽区中的监控原子。
图96B示出了在图96A中所示的参考电路960的不同节点处测量的电流和电压，因为参考二极管962从正向偏置配置切换到反向偏置配置。图96B中所示的四个图对应于关于图95B中的感测电路950所示的四个图。特别地，第二曲线图示出了图96A的参考二极管962上的电流，因为它使用图96A中所示的感测电路960从正向偏置配置切换到反向偏置配置。如图所示，与图95B中测量的电压输出相比，来自放大器的相对较小的电压输出可以用作半定量地确定核心电路的磨损的参考。
磨损监控装置配置为反转监控原子的扩散方向
如关于上面的各种实施例所描述的，在磨损监控装置内的某个位置处的监控原子的浓度可以指示磨损应力的综合历史。因为原子扩散可以通过浓度梯度驱动而没有相反的化学势，所以监控原子的净移动方向倾向于在监控原子的浓度降低的方向上。结果是，对于各种配置，磨损监控装置可以配置为“一次性使用”装置。然而，对于某些应用，可能希望能够在受到磨损应力之后在相反方向上“回绕”监控原子的运动。
为了解决这些和其他需要，类似于上述各种实施例，磨损监控装置被配置成使得磨损应力使得监控原子从储库扩散并进入监控区域。此外，磨损监控装置被配置成使得监控原子适于在监控区域中扩散时具有电荷状态，并且被配置为将电场施加到监控区域，使得当电场施加到其中扩散有监控原子的监控区域时，电场使监控原子从监控区域扩散并返回到储库。应当理解，在这些实施例中，监控原子的运动方向是增加浓度梯度的方向。因此，根据各种实施例，磨损监控装置被配置为施加具有这样的电场的电场：当电场施加到其中扩散有监控原子的监控区域时，电场引起监控原子在增加浓度梯度的方向上扩散。在图97和98描述这些实施例。
图97示出了根据实施方案的磨损监控装置的横截面视图，其类似于关于图56A和63A所示的那些，其中磨损监控装置被配置成使得基于原子的相互扩散的电子签名可用于测量“核心电路”的磨损。图98示出了图97的磨损监控装置的横截面视图以及连接到该装置的控制和感测电路。特别地，根据实施方案，图97和98中所示的装置包括多个区域，其中每个区域被配置为使用外部刺激来初始化，并且用于监视(例如，时间分辨的)核心电路的磨损。在初始化并经受磨损应力之后，从而允许监控原子扩散到相应的监控区域中(通过向监控原子在其中扩散的监控区域施加电场)，因为监控原子适于在监控区域中扩散时具有电荷状态，使得监控原子从监控区域扩散并返回到储库。
基于磨损监控装置的传感器网络系统，用于控制初始化、时间分辨监控和逆转监控原子的扩散方向
一些设备包括核心电路，其具有预测的时间和/或预测的使用量，其可导致核心电路的故障。对于一组条件(例如，平均条件)，有时计算和/或实验地确定预测的故障时间和/或预测的故障使用。例如，可以基于包括电流密度，温度和活化能的一组条件来计算电迁移相关故障的平均故障时间。然而，核心电路的实际时间和/或使用有时与预测故障的时间和/或使用条件明显不同(例如，低于或高于)，导致意外故障或不必要的替换。因此，需要向核心电路的用户警告磨损指示，其更接近地表示核心电路已经经受的实际时间或使用。在下文中，描述了集成磨损监控器和任务简档监视器的各种实施例的系统，以解决该和/或其他需求。
根据各种实施例，传感器网络系统包括传感器节点网络。传感器节点网络包括多个传感器节点，其中每个传感器节点包括上述的一个或多个磨损监控装置和应用处理单元。一个或多个磨损监控装置相对于核心电路分离并适当地布置，并且被配置为记录核心电路的磨损指示，其中所述指示与所述磨损监控装置内的扩散剂的局部扩散有关，以响应使所述核心电路磨损的磨损应力。磨损监控装置被配置为记录磨损指示，而不管传感器节点的磨损监控装置是通电还是未通电。传感器节点网络通信地耦合到服务器或托管服务以向其发送记录的指示。服务器或托管服务被配置为将磨损指示传送给用户和/或以提供指示替换零件的警报信号。
有许多不同的专用系统可以与本文公开的磨损监控器一起部署。参考图99，描述了一种系统，例如用于监测核心电路磨损的传感器网络系统。
图99的所示系统包括一个或多个传感器。根据实施方案，传感器可以布置在传感器节点1450中。如本文所述，布置在模块中的一个或多个传感器可以被称为传感器节点。在各种实施方案中，传感器节点1450可以包括一个或多个传感器，其被配置用于捕获例如在无动力封装中的数据。传感器节点还可以包括应用处理单元(APU)，其又包括一个或多个微处理器、RAM、非易失性RAM(NVRAM)、硬盘、通信模块和/或物理接口的集合。传感器节点还具有一个或多个数据访问接口，以便能够收集捕获的数据。这些接口包括但不限于GPIO引脚、USB端口、并行接口、RS232连接、以太网端口或用于无线传输的无线电(RF、Wi-Fi、蓝牙等)、以及其他端口或接口。如这里所使用的，通过物理或无线装置从节点收集的数据在传输过程中被称为数据流。
可以例如通过安全协议来执行传感器节点的安装和配置，以确保可以将节点安全且安全地添加到传感器网络。这确保了可以在网络中信任所有节点并防止未授权节点获得对网络的访问。
仍然参考图99，可以在每个传感器节点处捕获数据记录或读数。在一些应用中，取决于传感器节点的环境和数据处理能力，数据可以在每个传感器节点处被转换成信息。信息包括使用分析数据处理算法转换的数据，以确定捕获的数据的增强或更高分辨率。在一些应用中，取决于传感器节点的网络环境和处理能力，可以使用加密或类似方法来保护捕获的数据以防止未经授权的访问。
仍然参考图99，在一个或多个节点处捕获的数据/信息被传输或传输(取决于传感器节点的能力)到上游系统1454。如本文所述，上游系统是设备的单独、独立的部分，不是传感器节点，但配置为存储、处理和提供来自传感器网络的所有数据和/或信息。上游系统根据传感器节点的功能、网络环境和系统的应用需求来保护数据。上游系统将数据转换为信息，其信息可用于解决系统覆盖的应用程序遇到的特定域问题。
仍然参考图99，所示系统的传感器节点可以具有根据实施方案的各种配置，如下所述。
在一些实施方案中，传感器节点配置在零功率模式下。在此模式下，传感器配置为读取读数并存储读数，而无需将读数读取或存储到非易失性随机存取存储器(NVRAM)，或连续施加电源。
在这种模式下，可以省略微处理器(MP)或NVRAM模块。可以提供接口以实现每个传感器节点的按需读取。
在一些实施方案中，传感器节点配置在连续操作模式下。在该模式中，传感器持续供电(例如，通过主电源或电池)，并且被配置为以预定的时间间隔从每个传感器获取连续读数。这些读数存储在NVRAM中，以后可以使用一个或多个接口传送到上游系统。
在一些实施方案中，传感器节点配置在传感器被配置为周期性唤醒并记录最新读数的模式下。在这种模式下，使用内部时钟(通过晶体或其他)，一些NVRAM和一些简单的逻辑电路、系统定期从超低功耗、深度睡眠状态唤醒，并从每个传感器获取读数存储在NVRAM中的读数。这些读数可以稍后使用一个或多个接口传送到上游系统。
在一些实施方案中，传感器节点配置在一种模式下，其中传感器被配置为唤醒到中断事件并记录最新读数。在此模式下，通过添加MP和一些I/O电路，系统可以唤醒中断事件并从每个传感器读取数据并将这些读数存储在NVRAM中。这些读数可以稍后使用一个或多个接口传送到上游系统。
对于各种传感器节点配置，NVRAM可以被配置为使得当NVRAM接近容量时，传感器节点可以被配置为停止记录读数或使用先进先出(FIFO)方法来连续记录读数。
对于上述各种传感器节点配置，传感器节点可以被配置为除了一个或多个传感器读数之外还感测瞬时节点操作条件，以使用板载算法处理器分析数据，以执行计算以做出有关数据的明智决策，并存储这些计算的结果(即存储信息而不是数据)。例如，该信息可用于额外的计算，以改进中断控制器的唤醒或配置周期，以更好地利用功率容量或确保捕获关键事件。
传感器和传感器节点可以进一步布置在传感器网络中。如本文所述，传感器节点的集合可以称为传感器网络。传感器网络可以覆盖例如单件设备、房间、建筑物、设施或包括整个行星的地理区域。在下文中，根据实施方案描述了传感器网络的各种配置。
图100示出了传感器网络1501通过网络传输1502通信地耦合到包括私有服务器1509的上游系统。网络和上游系统对于企业/组织是私有的，并且通过转换传感器网络中捕获的数据而收集的信息用于特定于该业务/组织的应用程序。
从网络捕获的数据可以使用加密或类似方法在每个节点处得到保护，并安全地传输到私有服务器。可以安全地执行通过物理或无线介质的所有网络传输。可以使用确保机密性(未经授权的人员无法访问数据流)、完整性(确保数据流不会被篡改或更改)和利用认证的协议来保护数据传输(以确保我们识别用户和/或系统是他们声称的那些人)。
安全传输协议的示例包括安全套接字层(SSL)、散列消息认证码(HMAC)和公钥/私钥交换。
上游服务器包括系统控制器1504，其从数据收集/处理指令路由和分离命令和控制(CnC)指令。CnC指令包括但不限于网络配置命令、新节点安装/设置命令和网络健康管理。
CnC指令被路由到节点管理器1506。节点被配置为处理和处理所有CnC指令。
数据收集和处理指令被路由到处理引擎1505。处理引擎1505被配置为适当地存储数据，使用数据分析算法将数据转换成信息，适当地存储信息并根据系统应用需求、配置和数据转化为信息的结果提升事件。
事件管理器1510被配置为处理系统中的所有引发事件。事件处理可以包括但不限于用户显示更新、电子邮件通知、上游系统交互和传感器网络CnC指令(例如，强制关闭命令)。
所有数据和信息都会持久保存到后备存储中。后备存储可以包括但不限于数据文件或数据库1508(关系和非关系)。使用数据模式存储数据。包括传感器节点和数据数据库表的示例模式在下面针对下面的表2和3进行说明。
表2
节点表
节点的唯一ID
节点的应用程序类型或功能
节点的地理定位详细信息(如果适用)
用于解密数据并与节点通信的盐/加密密钥
表3
数据表
捕获读数的唯一节点标识符
捕获的值
从节点传输或收集读数的时间戳
取决于捕获数据时节点上的节点地理位置详细信息
图101示出了根据实施方案通信地耦合到云托管服务的传感器网络。可以收集传感器网络数据并将其传输到托管服务或服务，有时称为云计算服务。云配置为持久化，分析数据并将其转换为信息，并对该信息采取适当的措施。
这些托管服务可以是私有的(企业或设施内的专用网络)，混合(公共互联网可访问服务和专用网络的组合)或公共(互联网可访问服务)，具体取决于应用程序需求和传感器网络部署。
公共云的示例是托管服务用于从一系列客户的私有传感器网络捕获数据的位置。云利用其规模和处理能力来推断转化数据中的异常或重要信息，这些信息对每个客户都是有价值的。
可能的服务部署包括但不限于以下模型。
一种软件即服务(SaaS)模型，其中软件和算法销售给可以在其选择的托管服务网络上自由部署这些服务的客户。
平台即服务(PaaS)模型，每个客户保留其数据的所有权和控制权，但提供在线托管服务，并可用于存储和分析其数据。
仍然参考图101，云，托管服务利用负载平衡器1501来确保并有效地将传感器网络数据流分发到上游处理系统。分发通常但不完全基于后端托管系统的卷和当前负载。
图102示出了根据实施方案的传感器网络，其中传感器被配置为通过直接与私有服务器或托管服务通信来收集数据。然而，更实际的方法是使用代理服务器从传感器网络收集数据/信息读数，并负责将收集的数据传输到上游系统。
在图102所示的实施例中，代理服务器可以利用安全协议将数据流传输到上游系统。
通常，代理服务器1605可以具有可用于收集和存储来自传感器网络的数据的高容量存储。根据捕获数据的容量和实时关键性，可以为代理服务器配置适当的间隔，以便将数据传输到上游系统。
在某些情况下，代理服务器可以利用短程无线协议1604(例如，蓝牙)来从传感器网络收集数据。
在某些情况下，每个传感器节点可以利用物理连接1603(例如，RS232)直接连接到代理服务器，并且可以通过该连接传输数据。
sneakernet设备1612可用于从每个节点收集数据并上传到代理服务器。sneakernet指的是通过物理地移动存储介质(例如USB闪存驱动器)或具有板载存储器的读取器设备从源到目的地而不是通过有线或无线网络传输信息来传输电子信息。
在没有限制的情况下，根据各种实施例，包括一个或多个磨损监控装置/传感器(WOS)的集成电路装置可以被配置为用作本文描述的包括以下特征中的一个或多个的传感器网络系统的一部分。
如上所述，WOS可以记录磨损状态，无论WO是通电还是不通电，并且可以通过各种磨损应力激活，包括压力、气体、时间、电压和/或电流。系统结合了WOS的状态，使更高级别的系统能够决定组合状态。可以导出WOS以改变不同的速率或存在电流/电压等。
可以通过使用物理“栅极材料/物质”来启用或禁用WOS。
WOS可以通过监测由于存在主要材料/结构/传感器而发生的两种物理现象来实现(例如金，扩散到硅晶格中，然后游离硅原子在金的上表面氧化，两种物理现象都可以电测量和控制)。
可以使用一个或多个实现来实现WOS，以在监视下的设备的当前状态上创建更多数据点。
可以使用多层材料或主要材料加上另一元件/物质来创建WOS，以通过单个传感器监测多个温度范围。
可以在控制下反转/复位/清除WOS的当前状态。
WOS的物理实现可以使每个设备基于设备的WOS读取唯一签名。
WOS的物理实现可以实现原子计数。
WOS的物理实现可以通过对物质边界的物理更改来启用或禁用与WOS的部分或全部连接
WOS的物理实现可以为单个/多个源元素/材料启用多个读取点。
可以使用WOS来检测设备/芯片/模块仅被焊接一次
可以在周围/周围/中途使用屏障材料来控制溶剂/溶质的正常扩散。
屏障可以/可以用于吹制(电、光子、化学、物理应力、击穿、衰变等)，用于非吹制以使蒸发能够实现。
WOS可通过物质的物理生长实现额外的电容器差分传感器，例如，二氧化硅。这将允许单个传感器在磨损时生成两个单独的数据点。
在一些实施方案中，一个或多个WOS嵌入在用于单个/多个管芯的封装中，包括SOC和SIP。
在一些实施方案中，一个或多个WOS包含在同一物理模块和/或3D打印组件中。物理模块的示例包括PCB板或具有多个集成电路的柔性基板，但是同样可以是在每个组件之间具有或不具有物理连接的系统，例如带状电缆、柔性、RF和/或光学。
在这些实施方案中，WOS可以在电学上和物理上集成在物理模块内。在其他实施例中，WOS可以电气集成但物理地设置在物理模块外部。当物理模块外部时，WOS可以捕获环境条件。
另外，模块可以是主动的或被动的。当模块处于无源状态时，模块没有独立的电源，但能够由具有自身电源的外部设备读取。当模块处于活动状态时，WOS被配置为监视何时，例如，仅在何时存在功率/电压/电流。
在一些实施方案中，WOS可以嵌入3D打印结构中，其中互连嵌入到3D打印结构中/上。这种方法可以使多个WOS分布在整个结构中。
在一些实施方案中，一个或多个WOS被封装在将经历极端环境条件(例如，温度范围)的模块/结构中。在这些实施方案中，相对更敏感的电子器件保持在适当的距离处或与极端环境条件的源隔离，例如温度源。WOS可以通过物理/光学/RF介质连接，从而能够从传感器读取数据。
在一些实施方案中，一个或多个WOS存储在具有最小电子器件的模块中，用于按需或周期性地远程和/或无线传输传感器读数。
可以通过有源传感器或通过收获的环境能量(光，太阳，温度)进行定期数据传输。
远程模块/结构也可以通过RFID波轮询。一些远程通信方法可以使用安全协议。
WOS可用作“使用寿命”仪表，在给定时间之后，WOS向系统标记设备已达到其最大寿命并标记为更换。这种“使用寿命”可以是主动的或被动的，可以是时间、温度、压力、电压、电流、气体等。
图103示出了根据实施方案可以对上述各种磨损监控装置进行的各种物理和电气连接，用于集成到传感器网络系统中。特别地，所示的磨损监控装置类似于关于图98所示的装置。特别地，根据实施方案，所示装置包括多个区域，其中每个区域被配置为使用外部刺激进行初始化，并且用于监视(例如，时间分辨监测)核心电路的磨损。
基于磨损监控装置的传感器网络系统示例
示例：系统A
发明人已经认识到，当部件在非活动状态下搁置在架子上相当长的时间时，可能难以确定包括核心电路的部件的有效寿命。了解零件在使用前处于非活动状态的时间长度可用于故障分析和零件寿命性能和功能的一般表征。
为了解决这些和其他需要，参考图1示出了根据实施方案的基于磨损监控装置的传感器网络系统。参考图104，使用多个WOS，其中一个或多个基于在室温下扩散的材料，我们可以在部件首次通电时读取并注意如果WOS显示高水平的扩散，那么我们知道该部件在使用之前已经处于非活动状态很长一段时间。这被记录到非易失性存储器(NVM)或其他持久存储器中，并且可以用于精确模拟电路微调和/或故障后诊断、表征或甚至警告/向用户指示部件的剩余寿命和能力。一个或多个传感器可以是活动的。
一个合适的云平台(包括安全、数据处理和管理技术、跨标准通信基础设施的云基础设施)可用于协助故障诊断和/或预防性维护。作为传感器模块注册过程的一部分，可以记录和报告模块的重要属性，例如唯一识别码、WOS的唯一识别轮廓、WOS的扩散等级，并与给定设备/模块应用空间的标准扩散曲线进行比较。此过程可供用户使用，或仅限于制造商的故障分析组织或基于版税的系统保护部门。
一旦传感器/模块注册，制造商就可以提供额外的云服务，以帮助客户确定零件的运行条件和剩余的预期寿命。例如，汽车设备可以在x周/天/小时/分钟内标记最终操作，从而在用户禁用自身之前给用户一段时间来更换设备。
因此，系统A可以有利地在使用期间从校准到故障分析捕获部分中核心电路的接近完整的寿命历史。
示例：系统B
发明人已经认识到WOS的性能或精度可以取决于部件的材料和工作温度范围。捕获和关联带外温度事件将是有用的，例如，短时间的温度尖峰或长时间暴露于低于WOS材料的激活水平的温度范围。
为了解决这些和其他需求，基于磨损监控装置的系统根据实施方案包括无源(WOS)和有源传感器的组合。使用该组合，可以在部件通电时进行额外读数。这些读数可与WOS读数结合使用，以确定系统的更完整的温度曲线。结合唤醒定时器，可以捕获实际配置文件并将其存储在NVM中，或者在管理员系统和/或云基础设施中进行外部处理。
因此，系统B可以有利地在设备级提供准确的温度分布记录。
示例：系统C
发明人已经认识到，由于宇宙射线或粒子可能发生数据降级，这可能对依赖于非ECC存储器存储的系统产生严重后果。
为了解决这些和其他需求，系统根据实施方案包括具有WOS的存储器芯片并且由于独特的扩散特征而检测宇宙粒子碰撞事件。然后，系统可以对此事件执行操作，以将系统重置为已知良好状态或使用故障后分析记录事件。
设备注册过程包括系统检查以确定WOS的初始状态并且将标记任何此类事件。与云服务器的后续数据同步可以包括对相同事件的检查。
因此，系统C可以有利地检测辐射诱发的误差(RIE)。
示例：系统D
发明人已经认识到，检测模块克隆和/或篡改和/或对设备及其内部系统代码的其他未授权访问可能是有利的。
为了解决这些和其他需求，传感器网络根据实施方案包括WOS，该WOS被配置为基于设备的标准任务简档生成具有可预测扩散进展的唯一熵源。系统算法可以检测是否尝试注入外部解密密钥以解锁系统代码，或者是否发生了物理/电气事件(例如，移除设备的上限-大的热量峰值)，这可能表明有人试图未经授权访问该设备。此信息可用于“阻止”设备或以其他方式尝试将设备的IP敏感部分置于攻击者无法触及的范围之外。
入侵传感器和“砌砖”设备的组合可以成为物联网应用和嵌入式硬件解决方案的解决方案，因为黑客组织在收集他们希望攻击的设备或设备上的信息方面投入了大量资源。在可能的情况下，黑客实际获取他们希望攻击的目标设备，并尝试对设备进行逆向工程并使用它来测试可能的攻击。
标记潜在的黑客攻击有时不会导致关闭设备。在强制关闭模块可能导致严重后果(人员健康、机器运行状况、安全漏洞)的应用程序中，首选方法是使用云平台记录警报。云管理员可以远程停用设备。
与托管服务(例如，云托管服务)通信可以通过各种机制，如图105和106中所述：
对于更高级的分类目的，地理位置硬件和监视可以确定模块是否在预期的操作位置，如图106所示：
这种技术的使用也可以应用于内部故障分析，其中可以通过分析云数据来替换昂贵的过程和资源。有可能将这种“入侵检测”模块和云服务出售给使用更昂贵硬件的客户，或者优先在现场进行故障分析。
因此，系统D可以有利地检测入侵并保护设备/客户IP。
示例：系统E
发明人已经认识到在云中保护IoT模块可能是有利的。
为了解决这个和其他需要，系统被配置成使得在任何给定时间，WOS记录唯一的扩散量，并且在正常操作下，该值可以在操作频带或变化率内。此值可用于在引导时生成加密签名的代码，并且算法可以确定固件是否由于逆向工程、脱焊等而被更改。更高级的解决方案可以将入侵监视器与地理位置定位相结合。
通过云的初始注册过程可以增加进出设备的流量，其中记录了入侵模块参数。未来的通信将包括这些变量作为加密通道的盐。实际上，将有一种方法通过其自己的扩散指纹与每个模块进行安全通信。
因此，可以有利地配置系统E，使得如果超过操作寿命规范，则设备加密变得不可操作。
示例：系统F
发明人已经认识到，一些设备由制造商提供，具有通用的寿命规范。但是，对于这些设备，没有关于客户如何使用设备的信息，并且所有回报都被“平等”对待，因为我们没有关于设备是否达到其整个生命周期的信息。因此，需要提供关于在部件达到其整个寿命之前客户如何使用具有核心电路的部件的信息。
为了解决这个和其他需求，传感器网络系统根据实施方案包括WOS或多个WOS和有源寿命传感器的组合，其中可以定义产品的特定操作寿命。一旦超过寿命，设备将变得不可操作/关闭。对于服务质量(QOS)是高优先级的市场，例如汽车/工业应用，这可能是非常宝贵的。设备可以将其状态(生命结束时间)传达给管理员系统或云端外部，从而创建替换设备收入流和云监控收入流。
结论
在上述实施例中，结合特定实施例描述了用于磨损监控器的装置、系统和方法。然而，应该理解的是，实施例的原理和优点可以用于需要监测磨损的任何其他系统、装置或方法。在前文中，应当理解，任何一个实施例的任何特征可以与任何其他实施例的任何其他特征组合和/或代入。
本公开的各方面可以在各种电子设备中实现。电子设备的示例可以包括但不限于消费电子产品、消费电子产品的部件、电子测试设备，诸如基站的蜂窝通信基础设施等。电子设备的示例可以包括但不限于，智能手机等智能手机、智能手表或耳机等可穿戴计算设备、电话、电视、电脑显示器、电脑、调制解调器、手持电脑、笔记本电脑、平板电脑计算机、个人数字助理(PDA)、微波炉、冰箱、车载电子系统、如汽车电子系统、立体声系统、DVD播放器、CD播放器、MP3播放器等数字音乐播放器、无线电、便携式摄像机、诸如数码相机的相机、便携式存储器芯片、洗衣机、干衣机、洗衣机/干衣机、外围设备、时钟等。此外，电子设备可包括未完成的产品。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等应以包含性的含义来解释，而不是排他性的或详尽的意思，也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如本文通常所使用的，“耦合”一词指的是可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。同样地，如本文通常所使用的，“连接”一词指的是可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。另外，当在本申请中使用时，词语“此处”、“上方”、“下方”、“下文”、“上文”和类似含义的词语应当指代本申请作为一个整体而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，使用单数或复数的上述具体实施方式中的词语也可以分别包括复数或单数。单词“或”指的是两个或多个项目的列表，该单词涵盖了该单词的所有以下解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目以及列表中项目的任意组合。
此外，除非另有明确说明或者在所使用的上下文中以其他方式理解，否则本文使用的条件语言，例如“可以”、“可能”、“例如”、“诸如”等通常旨在表达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元素和/或状态。因此，这种条件语言通常不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要特征、元素和/或状态，或者在任何特定实施例中是否包括或将要执行这些特征、元素和/或状态。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅作为示例呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，这里描述的新颖设备、方法和系统可以以各种其他形式体现，此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对这里描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。例如，虽然块以给定的排列呈现，替代实施例可以执行具有不同组件和/或电路拓扑的类似功能，并且可以删除、移动、添加、细分、组合、和/或修改一些块。这些块中的每一个可以以各种不同的方式实现。可以组合上述各种实施例的元件和动作的任何合适组合以提供进一步的实施例。上述各种特征和过程可以彼此独立地实现，或者可以以各种方式组合。本公开的特征的所有合适的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。

Claims (91)

1.一种集成电路装置，包括磨损监控装置，所述磨损监控装置被配置为记录与所述磨损监控装置分离的核心电路的磨损的指示，所述磨损监控装置包括储库和扩散区域，其中所述指示与响应于导致所述核心电路的磨损的磨损应力从所述储库到所述扩散区域中的扩散剂的局部扩散相关联，
其中，所述磨损监控装置被配置为无论所述核心电路是否被激活都调节所述核心电路的磨损的指示。
2.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述储库包括所述扩散剂，并且所述扩散区域与所述储库连通使得所述磨损应力使所述扩散剂从所述储库扩散到所述扩散区域中。
3.根据权利要求2所述的集成电路装置，其中所述扩散区域包括半导体材料。
4.根据权利要求2-3中的任一项所述的集成电路装置，其中所述磨损的指示与所述扩散区域中的所述扩散剂的浓度有关联。
5.根据权利要求2-3中的任一项所述的集成电路装置，其中所述扩散剂在所述扩散区域中具有0.75eV和2.5eV之间的扩散活化能。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的集成电路装置，其中所述扩散剂包括选自包括铝(Al)、钴(Co)、铂(Pt)、硫(S)、镍(Ni)、银(Ag)、锌(Zn)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、铁(Fe)、钠(Na)和钾(K)的组中的一种或多种元素。
7.根据权利要求2-3中的任一项所述的集成电路装置，其中所述储库形成于基板的表面，其中所述储库用作所述磨损监控装置的第一电极，并且其中所述磨损监控装置还包括在所述表面处形成并且由与所述储库不同的材料形成的第二电极。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的集成电路装置，其中所述核心电路和所述磨损监控装置形成在由半导体材料形成的共同基板中，并且被配置为使得所述扩散剂在磨损应力下保持在所述磨损监控装置中而不扩散到所述核心电路中。
9.根据权利要求2-3中的任一项所述的集成电路装置，进一步包括感测电路，所述感测电路电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测响应于所述扩散剂局部扩散到所述扩散区域中而改变的电气特性。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的集成电路装置，还包括所述核心电路，所述核心电路与所述磨损监控装置物理分离以使得所述扩散剂不会从所述磨损监控装置扩散到所述核心电路中。
11.根据权利要求2-3中的任一项所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置为在记录所述磨损的指示之前由刺激激活。
12.根据权利要求11所述的集成电路装置，还包括控制电路，所述控制电路连接到所述磨损监控装置并被配置为供应所述刺激，其中所述刺激包括电压刺激或电流刺激中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的集成电路装置，其中所述刺激包括光学刺激。
14.根据权利要求11所述的集成电路装置，其中具有所述扩散剂的扩散的能垒的物理屏障设置在所述储库和所述扩散区域之间，其中所述物理屏障被配置为使得所述能垒响应于所述刺激而减小以激活所述磨损监控装置。
15.根据权利要求14所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置成使得所述刺激为所述屏障提供足够的热能以减小所述能垒。
16.根据权利要求11所述的集成电路装置，其中所述扩散区域和所述储库具有不同的组成，使得该区域具有用于所述扩散剂相对于所述储库扩散的能垒，其中所述能垒为使得所述刺激赋予所述扩散剂足够的能量以激活所述磨损监控装置。
17.根据权利要求14-16中的任一项所述的集成电路装置，其中在室温下所述能垒大于所述储库中所述扩散剂的平均热能。
18.根据权利要求9所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括多个监控结构，每个监控结构被配置为记录所述核心电路的磨损的指示，并且其中所述多个监控结构各自包括所述储库和所述扩散区域。
19.根据权利要求18所述的集成电路装置，其中所述监控结构中的不同监控结构被配置为在记录所述核心电路的磨损的指示之前由不同的刺激激活。
20.根据权利要求19所述的集成电路装置，其中所述监控结构中的不同监控结构具有在所述多个监控结构的相应储库和相应扩散区域之间形成的不同的物理屏障。
21.根据权利要求18-20中的任一项所述的集成电路装置，其中所述监控结构中的不同监控结构具有不同配置的扩散区域。
22.根据权利要求21所述的集成电路装置，其中不同配置的扩散区域具有不同的组成。
23.根据权利要求18-20中的任一项所述的集成电路装置，其中所述监控结构中的不同监控结构具有不同配置的储库。
24.根据权利要求23所述的集成电路装置，不同配置的储库具有不同的组成。
25.根据权利要求18-20中的任一项所述的集成电路装置，其中每个所述监控结构上形成有多个电极。
26.根据权利要求25所述的集成电路装置，其中所述多个电极中的电极彼此规则地间隔开。
27.根据权利要求18-20中的任一项所述的集成电路装置，其中所述监控结构横向布置在共同基板上。
28.根据权利要求18-20中的任一项所述的集成电路装置，其中相邻的监控结构以规则的间隔形成。
29.根据权利要求18-20中的任一项所述的集成电路装置，其中所述储库和所述扩散区域在共同基板上相对于彼此横向设置，使得所述磨损的指示基于扩散剂的局部扩散，该扩散剂的局部扩散在平行于所述基板的主表面的横向方向上具有净扩散方向。
30.根据权利要求29所述的集成电路装置，其中所述净扩散方向是从储库区域朝向位于中心的扩散区域的径向向内方向，所述储库区域引入围绕所述扩散区域的扩散剂。
31.根据权利要求29所述的集成电路装置，其中所述磨损的指示基于具有以下净扩散方向的扩散剂的扩散，所述净扩散方向是从引入所述扩散剂的位于中心的储库区域朝向围绕所述储库区域的扩散区域的径向向外方向。
32.根据权利要求18-20中的任一项所述的集成电路装置，其中所述监控结构垂直布置在共同基板上。
33.根据权利要求2-3中的任一项所述的集成电路装置，其中基板的原子用作所述扩散剂，使得所述磨损应力使所述基板的原子从所述基板扩散到所述扩散区域中。
34.根据权利要求33所述的集成电路装置，其中所述磨损应力导致在所述储库的表面上形成氧化物，该氧化物包括所述基板的原子。
35.根据权利要求33所述的集成电路装置，还包括感测电路，所述感测电路电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测响应于所述基板的原子局部扩散进入所述扩散区域中而改变的电气特性。
36.根据权利要求35所述的集成电路装置，其中所述感测电路被配置为测量所述扩散区域的电阻率。
37.根据权利要求35所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置还包括参考电极，其中所述感测电路被配置为测量所述参考电极和所述扩散区域之间的电容。
38.根据权利要求2所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置为在第一方向上将电场施加到所述扩散区域，并且其中所述扩散剂当在所述扩散区域中扩散时具有电荷状态，使得当所述电场施加到其中所述扩散剂扩散的所述扩散区域时，所述电场使所述扩散剂在所述第一方向上进一步在所述扩散区域中扩散。
39.根据权利要求38所述的集成电路装置，其中所述扩散区域和所述储库在不同于所述第一方向的第二方向上相邻地设置，并且被配置为使得所述磨损应力使所述扩散剂在所述第二方向上扩散。
40.根据权利要求39所述的集成电路装置，其中所述扩散区域设置在半导体基板中，并且所述储库形成在所述半导体基板的表面上，使得所述磨损应力使所述扩散剂在垂直于所述半导体基板的表面的方向上扩散，并且所述电场使所述扩散剂在平行于所述半导体基板的表面的方向上扩散。
41.根据权利要求38-40中的任一项所述的集成电路装置，其中多个导电结构沿着所述第一方向形成在所述扩散区域的表面上，并在多个位置提供对所述扩散区域的电接入。
42.根据权利要求40所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置为通过在一个或多个所述导电结构上施加电压来施加所述电场。
43.根据权利要求38-40中的任一项所述的集成电路装置，其中所述扩散区域包括掺杂有掺杂剂的半导体材料，所述掺杂剂具有在所述第一方向上分级的浓度，使得所述电场的大小在所述第一方向在所述扩散区域上变化。
44.根据权利要求38-40中的任一项所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置在所述扩散区域中具有相反掺杂的半导体区域，使得所述电场是所述扩散区域中的内置电场。
45.根据权利要求2所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置为使得所述磨损应力使所述扩散剂从所述储库扩散开并进入所述扩散区域中，其中所述扩散剂当扩散到所述扩散区域中时具有电荷状态，并且其中所述磨损监控装置被进一步配置为将电场施加到所述扩散区域，使得当所述电场施加到其中所述扩散剂扩散的所述扩散区域时，所述电场使所述扩散剂朝向所述储库扩散。
46.根据权利要求45所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置为施加具有这样大小的所述电场，使得当所述电场施加到其中所述扩散剂扩散的所述扩散区域时，所述电场使所述扩散剂在浓度梯度增加的方向上扩散。
47.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置为响应于刺激而激活所述扩散剂的扩散。
48.根据权利要求47所述的集成电路装置，其中所述刺激包括电压、电流、光或热中的至少一种。
49.根据权利要求47所述的集成电路装置，还包括控制电路，该控制电路被配置为将所述刺激施加到所述磨损监控装置。
50.根据权利要求1所述的集成电路装置，还包括感测电路，所述感测电路电连接到所述磨损监控装置并被配置为提供随时间的扩散分布的指示。
51.根据权利要求1所述的集成电路装置，还包括感测电路，所述感测电路电连接到所述磨损监控装置并被配置为提供原位的磨损的指示。
52.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括半导体基板，并且所述扩散剂被配置为扩散到所述半导体基板中。
53.根据权利要求52所述的集成电路装置，还包括感测电路，所述感测电路电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测响应于扩散剂局部扩散到所述半导体基板中而改变的电气特性。
54.根据权利要求1所述的集成电路装置，还包括感测电路，所述感测电路电连接到所述磨损监控装置并且被配置为检测响应于所述磨损监控装置的半导体材料局部扩散到所述扩散区域中而改变的电气特性。
55.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置被配置为使得能够应用刺激以引起局部扩散的方向响应于所述刺激而改变。
56.一种利用与集成电路装置的核心电路分开的磨损监控装置监控所述核心电路的磨损的方法，所述磨损监控装置包括储库和扩散区域，该方法包括：
记录所述核心电路的磨损的指示，其中所述指示与响应于导致所述核心电路的磨损的磨损应力从所述储库到所述扩散区域中的扩散剂的局部扩散相关联，其中所述磨损监控装置被配置为无论所述核心电路是否被激活都调节所述核心电路的磨损的指示；
检测响应于所述扩散剂的局部扩散而改变的电气特性；和
报告所述磨损监控装置的电气特性。
57.根据权利要求56所述的方法，还包括在记录之前，使所述磨损监控装置经受所述磨损应力，该磨损应力使局部扩散从包括所述扩散剂的所述储库进入所述扩散区域中。
58.根据权利要求57所述的方法，还包括在使所述磨损监控装置经受所述磨损应力之前，通过施加刺激以克服能垒来激活所述磨损监控装置。
59.根据权利要求58所述的方法，其中施加所述刺激改变具有所述能垒的物理屏障并减小所述能垒。
60.根据权利要求58-59中的任一项所述的方法，还包括在使所述磨损监控装置经受所述磨损应力之后，将电场施加到所述扩散区域，该扩散区域具有在第一方向上在其中扩散的所述扩散剂，使得所述电场使所述扩散剂在所述第一方向上进一步扩散。
61.根据权利要求58-59中的任一项所述的方法，还包括在使所述磨损监控装置经受所述磨损应力以使所述扩散剂从所述储库扩散开并进入所述扩散区域中之后，将电场施加到其中所述扩散剂扩散的所述扩散区域，使得所述电场使所述扩散剂朝向所述储库扩散。
62.一种具有对集成电路装置中的核心电路的磨损监控能力的集成电路装置，所述集成电路装置包括：
用于记录核心电路的磨损的指示的构件，所述用于记录的构件包括储库和扩散区域，其中所述指示与响应于导致所述核心电路的磨损的磨损应力从所述储库到所述扩散区域中的扩散剂的局部扩散相关联，其中所述用于记录的构件被配置为无论所述核心电路是否被激活都调节所述核心电路的磨损的指示；和
用于检测所述核心电路的所述磨损的指示的构件，所述用于检测所述磨损的指示的构件和所述用于记录所述磨损的指示的构件连通。
63.根据权利要求62所述的集成电路装置，其中所述储库包括所述扩散剂，并且所述扩散区域与所述储库连通使得所述磨损应力使所述扩散剂从所述储库扩散到所述扩散区域中。
64.根据权利要求63所述的集成电路装置，其中所述用于记录的构件被配置为在使所述扩散剂从所述储库扩散到所述扩散区域中之前响应于刺激而激活。
65.根据权利要求64所述的集成电路装置，还包括用于在第一方向上向所述扩散区域施加电场的构件，并且其中所述扩散剂当在所述扩散区域中扩散时具有电荷状态，使得当所述电场施加到其中所述扩散剂扩散的所述扩散区域时，所述电场使所述扩散剂在所述扩散区域中在所述第一方向上进一步扩散。
66.根据权利要求64所述的集成电路装置，其中所述用于记录的构件被配置为使得所述磨损应力使所述扩散剂从所述储库扩散开并进入所述扩散区域中，其中所述扩散剂当扩散到所述扩散区域中时具有电荷状态，并且其中所述用于记录的构件被进一步配置为将电场施加到所述扩散区域，使得当所述电场施加到其中所述扩散剂扩散的所述扩散区域时，所述电场使所述扩散剂朝向所述储库扩散。
67.一种具有磨损监控的集成电路装置，所述集成电路装置包括：
核心电路；
磨损监控装置，被配置为无论所述核心电路是否被激活都调节所述核心电路的磨损的指示；和
感测电路，被配置为检测与所述磨损监控装置相关联的电气特性，其中所述电气特性指示所述核心电路的磨损。
68.根据权利要求67所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括基板和配置为在所述基板中扩散的监控原子，其中所述基板中的所述监控原子的掺杂分布指示所述核心电路的磨损。
69.根据权利要求68所述的集成电路装置，其中所述监控原子在所述基板中具有介于0.75eV和2.5eV之间的扩散活化能。
70.根据权利要求68所述的集成电路装置，其中所述监控原子包括选自包括铝(Al)、钴(Co)、铂(Pt)、硫(S)、镍(Ni)、银(Ag)、锌(Zn)、金(Au)、铬(Cr)、铜(Cu)、铁(Fe)、钠(Na)和钾(K)的组中的一种或多种元素。
71.根据权利要求68所述的集成电路装置，其中所述核心电路和所述磨损监控装置形成在所述基板中，该基板是由半导体材料形成的共同基板并被配置为使得所述监控原子在磨损应力下保持在所述磨损监控装置中而不扩散到所述核心电路中。
72.根据权利要求68所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括形成在所述基板的表面上的所述监控原子的储库，其中所述储库用作所述磨损监控装置的第一电极，并且其中所述磨损监控装置还包括在所述表面上的由与所述第一电极不同的材料形成的第二电极。
73.根据权利要求72所述的集成电路装置，其中所述基板包括半导体材料作为用于所述监控原子的扩散介质。
74.根据权利要求73所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括PN结，其中所述储库物理接触所述PN结的p掺杂区域或n掺杂区域之一，并且其中所述第二电极与所述p掺杂区域或所述n掺杂区域中的另一个电接触。
75.根据权利要求74所述的集成电路装置，其中所述电气特性包括所述PN结的反向偏置电流。
76.根据权利要求73所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括第一掺杂区域和第二掺杂区域，所述第一掺杂区域和第二掺杂区域彼此分开并且被配置为在所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域之间的偏置下穿通，其中所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域具有相反的导电类型，并且其中所述监控原子被配置为在偏置下从所述第一掺杂区域向所述第二掺杂区域扩散。
77.根据权利要求76所述的集成电路装置，其中所述第二掺杂区域是与所述第一掺杂区域垂直分离的掩埋区域，该第一掺杂区域形成在所述半导体材料的表面处。
78.根据权利要求76所述的集成电路装置，其中所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域形成在所述半导体材料的表面区域处并且彼此横向分离。
79.根据权利要求73所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括场效应晶体管，所述场效应晶体管包括通过沟道区域彼此分开的源极区域和漏极区域，并且其中在偏置下，所述监控原子被配置为从所述源极区域或所述漏极区域中的一个朝向所述源极区域或所述漏极区域中的另一个扩散到所述沟道区域中。
80.根据权利要求73所述的集成电路装置，还包括耦合到所述感测电路的参考装置，其中所述感测电路被配置为基于所述磨损监控装置的电气特性与所述参考装置的相应电气特性的比较来提供磨损的指示。
81.根据权利要求80所述的集成电路装置，其中所述参考装置包括与所述磨损监控装置相同类型的装置，同时具有至少一个电极，所述至少一个电极由与具有所述监控原子的所述磨损监控装置的相应电极不同的材料形成。
82.根据权利要求68所述的集成电路装置，其中所述监控原子被配置为使得磨损应力引起所述监控原子在所述基板中扩散的速率的改变。
83.根据权利要求68所述的集成电路装置，其中所述磨损监控装置包括p掺杂区域和n掺杂区域，其中所述p掺杂区域包括与所述监控原子不同的p型掺杂剂，并且所述n掺杂区域包括与所述监控原子不同的n型掺杂剂。
84.根据权利要求67所述的集成电路装置，其中所述磨损的指示指示热应力、电压应力或电流应力中的一个或多个。
85.一种监控包括核心电路和磨损监控装置的集成电路装置的磨损的方法，该方法包括：
检测磨损监控装置的电气特性，其中所述磨损监控装置包括半导体材料和被配置为扩散到所述半导体材料中的监控原子，并且其中所述电气特性对应于指示所述核心电路的磨损的所述半导体材料中所述监控原子的浓度分布；和
报告所述磨损监控装置的电气特性。
86.根据权利要求85所述的方法，其中在检测之前，使所述集成电路装置经受应力状态，该应力状态使所述监控原子在所述半导体材料中扩散。
87.根据权利要求85所述的方法，还包括基于所述磨损监控装置的检测的电气特性，确定所述核心电路的磨损是否已达到预定水平。
88.根据权利要求86所述的方法，其中所述磨损监控装置包括多个掺杂区域和所述监控原子的储库，所述监控原子的储库与一个所述掺杂区域物理接触并用作电极，并且其中检测所述电气特性包括使用所述电极测量电流或电压。
89.根据权利要求86所述的方法，其中所述应力状态包括热应力状态、电压应力状态或电流应力状态中的一个或多个。
90.一种具有磨损监控的集成电路装置，所述集成电路装置包括：
核心电路；
用于以基板中扩散材料的掺杂分布记录所述核心电路的磨损的构件；和
用于检测所述核心电路的磨损的指示的构件，所述用于记录磨损的构件和所述用于检测磨损的指示的构件连通。
91.根据权利要求90所述的集成电路装置，其中扩散材料在所述基板中具有0.75eV和2.5eV之间的扩散活化能。
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