CN1320824A - 用于半导体测试系统的电源电流测量单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于半导体测试系统中的电源电流测量单元,包括:D/A转换器,基于接受的数字信号,产生供给被测器件的电源电压;运算放大器,用于形成负反馈回路并把电源电压供给被测器件,由此通过电阻器,把电源电流提供给电源引线;电压放大器,用于放大代表电源电流量的电压;积分电路,用于在预定积分时间内对电压放大器的输出信号进行积分;A/D转换器,用于在积分时间之后,转换积分电路的输出信号。该单元能对被测器件的电源电流进行高速、准确地测试。

Description

用于半导体测试系统的电源电流测量单元
本发明涉及一种用于测试半导体集成电路，比如大规模集成电路(LSI)的半导体测试系统，更具体地说，涉及一种半导体测试系统上的电源电流测量单元，它能够快速、准确地测量被测器件的电源电流。本发明的电源电流测量单元更有利地适用于测量一个CMOS集成电路的电源电流IDD。
本发明的电源电流测量单元，在半导体测试系统中被用来测试半导体集成电路比如LSI(此后也称之为“被测器件”)。这样的一个半导体测试系统主要对被测器件进行功能测试，它也有测试DC参数的功能，在这种测试中，评估器件的电压和电流。本发明是一种用于测量被测器件的电源电流的电源电流测量单元(DC测试单元)，它是DC参数测试的一部分。
本发明的发明者提出了一种基于事件的半导体测试系统(基于事件的测试系统)，它与当今广泛使用的基于周期的半导体测试系统(基于周期的测试系统)有不同的结构。本发明的电源电流测量单元可以更有利地应用于基于事件的测试系统，然而，当它用于基于周期的测试系统时，它也可以产生显著的作用。因此，下面对基于周期的测试系统和基于事件的测试系统，做简短的说明。
图1A是一个方框图，它示出了在基于周期的测试系统中的基本配置。在这个例子中，测试处理器11是半导体测试系统中专用的处理器，用于通过测试器总线控制测试系统的运作。根据测试处理器11的模式(pattern)数据，模式发生器12分别提供定时数据和波形数据给定时信号发生器13和波形格式器14。波形格式器14使用模式发生器12的波形数据和定时信号发生器13的定时数据，产生一个测试模式(pattern)，该测试模式通过驱动器15被提供给一个被测器件(DUT)19。
DUT19响应测试模式产生一个输出信号，它被提供给插针电子装置20中的模拟比较器16。模拟比较器16的参考电平为预定阈值的电压电平，上述输出信号被模拟比较器16转换成逻辑信号。逻辑信号通过逻辑比较器17，与模式发生器12的期望值数据进行比较。逻辑比较的结果被储存在一个对应于DUT19的地址的失效(failure)存储器18中。
在这样的一个基于周期的测试系统里，对于每个测试周期，用于产生测试模式的模式数据必须分别由波形数据、向量数据和定时数据来描述。因此，涉及基于周期的测试系统的硬件和软件就变得很复杂，这就很难构成一个使每个测试插针与其它的插针无关的测试系统。
图1B是一个概略的方框图，它示出了基于事件的测试系统中基本配置的例子。基于事件的测试系统更详细的描述，公开在美国专利申请NO.09/406,300和美国专利申请No.09/259,401中，它们是由本发明的同一发明者申请的。
在这个例子中，基于事件的测试系统包括：主机42、总线接口43、内部总线45、地址控制逻辑电路48、失效存储器47、由事件计数存储器50和事件游标存储器51组成的事件存储器、事件求和与缩放(scaling)逻辑电路52、事件发生器24、插针电子装置26。被测半导体器件(DUT)28是连接到插针电子装置26上的。
主机42的一个例子是具有UNIX操作系统的工作站。主机42具有作为用户接口的功能，以使用户可以指示测试的启动和停止操作，可以装载试验计划和其它测试条件，或者可以在主机中执行试验结果分析。主机42通过系统总线44和总线接口43与硬件检测系统相连。
内部总线45是硬件检测系统中的一个总线。地址控制逻辑电路48的一个例子是一台测试器处理器，它是硬件检测系统专用的，并且用户不可访问。基于主机42的试验程序和条件，地址中央逻辑电路48提供指令给测试系统中的其它功能块。失效存储器47把试验结果，比如DUT28的失效(failure)信息，存储在地址控制逻辑电路48定义的地址中。储存在失效存储器47中的信息，是用于被测器件的失效分析阶段的。
地址控制逻辑电路48把地址数据提供给由事件计数存储器50和事件游标存储器51构成的事件存储器。事件存储器存储描述每个事件和事件定时的定时数据(从“1”到“0”变化或者从“0”到“1”变化)。例如，事件存储器通过两种不同的数据类型来存储定时数据，一个是表示基准时钟整数倍的整数部分数据，另一个是表示基准时钟分数的分数部分。
通过对事件定时数据求和，或者用缩放系数来修改每个事件的定时数据，事件求和与缩放逻辑电路52相对于预定参考点，产生表示每个事件总定时(延迟时间)的数据。事件发生器24基于总定时数据，实际上产生测试模式(驱动事件)，这里的总定时数据通过插针电子装置26提供给DUT 28。通过把DUT 28的响应输出信号与期望的数据模式(取样事件)进行比较，DUT 28的各个输出引线就被测试系统评估了。
在基于事件的测试系统中，因为用于产生测试模式的事件数据仅仅通过事件的定时数据来描述，所以事件数据的数据配置大大的简化。因此基于事件的测试系统可以通过多个测试插针来配置，其中，每个测试插针与其它的测试插针无关。
在上面描述的测试系统中，用于把测试模式传给被测器件，并且接收被测器件输出信号的插针电子装置的结构，相对于基于周期的测试系统或者基于事件的测试系统的结构基本上是相同的。通常，插针电子装置也装备有一个用于执行DC参数测试的测量单元。在图2中，对驱动事件(测试模式)、取样事件(选通)和用于测试单元的参数进行处理的插针电子装置26，是相对于事件发生器24、模式比较器38和被测器件(DUT 28)而描述的。
事件发生器24产生驱动事件(测试模式)，它以预定振幅和转换速率，通过插针电子装置26中的驱动器35，被提供给DUT 28的一个输入插针。事件发生器24更进一步地产生一个取样事件，它作为一个用于对DUT 28的输出信号进行取样的选通信号，被提供给模拟比较器36。当在选通信号的定时处与预定参考电压比较时，DUT 28的输出信号通过模拟比较器被转换成一个逻辑信号。在模拟比较器36的输出中的逻辑信号，通过模式比较器38与期望的逻辑模式进行比较。
在控制器比如主机的控制下，DC测试单元37对被测器件进行DC参数测试。在DC参数测试中，通常地，通过驱动器35提供给被测器件的驱动事件包括一个时钟信号。DC测试单元37提供一个电源给被测器件的预定电源引线，并且测量电源电流，例如，流过被测器件的电源引线的电流。测量值被传送给主机。
图3示出了一个传统的直流测试单元的结构的例子。该例子仅仅示出了一个用于对被测器件的电源电流进行测量的电源电流测量单元，例如，CMOS器件的IDD。电源电流测量单元有一个D/A(数字到模拟)转换器71、运算放大器72、电流缓冲器73、电流测量电阻器(RM)74、差分放大器75、平均电路76、A/D(模拟到数字)转换器77和缓冲存储器78。
当要被提供给被测器件的电压量，作为一个电源，由控制器比如主机规定时，D/A转换器71产生规定的电压，它通过运算放大器72提供给被测器件28。运算放大器72通过电流缓冲器73和电流测量电阻器74，把电源提供给被测器件28。
如图3所示，被测器件28的电源引线是测量单元中负反馈回路的一个反馈点。因此，运算放大器72的输入电压表示提供给被测器件28的电源电压。通过运算放大器72，电源电流经过电流测量电阻器74被供给被测器件28。在此安排中，通过差分放大器75检测到电流测量电阻器74两端的电压，由此测量出被测器件28中流动的电源电流。
差分放大器75的输出被平均电路76平均，并且提供给A/D转换器77。通过一个预定重复率的取样信号，A/D转换器77对输入信号进行采样，并且把采样电压转换为数字信号。数字信号被储存在缓冲存储器78中。
图4A-4D是表示图3的传统电源电流测量单元的操作的定时图。测试系统经过驱动器35(图2)，把图4A的一个时钟信号提供给被测器件28，由此开始对被测器件28进行操作。虽然未示出，但测试系统也提供测试模式给被测器件28的信号引线。供给被测器件比如CMOS器件的电源电流，和图4B所示的时钟信号一样，在相同的重复率下，以脉冲方式变化。
通过图3的电路配置，检测到电源电流，如图4C所示的波形，并且将电源电流提供给A/D转换器77。通过预定的取样间隔t,A/D转换器77对图4C的测量的电流波形进行采样，并且把采样后的模拟电压转换为数字信号。取样间隔t例如是几十微秒。
因为CMOS器件的电源电流随内部电路条件不同而有很大的变化，所以提供给A/D转换器77的被测量的电流波形，表示了一种复杂的模式。这样，在传统的技术下，为了精确地测量电流值，图4D所示的取样操作被不断重复，以增加采样的次数，因而，通过平均采样提高测量的准确性。
如前所述，在用传统的电路测量电源电流IDD的过程中，为了提高测量的准确性，相同的测试模式必须被重复许多次，以增加采样数目，导致测量时间增长。如果测量时间缩短了，测量准确性就急剧下降，尤其是电流波形迅速变化的时候。传统的测量电路也有一种问题，即，不可能确定哪个时钟信号在被测量的电源电流IDD中出现了问题。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于半导体测试系统的电源电流测量单元，它能够高速、准确地对被测器件的电源电流进行测量。
本发明的另一个目的是，当被测器件是CMOS器件时，提供一种对被测器件的电源电流IDD进行测量的电源电流测量单元。
本发明又一个目的是提供一种电源电流测量单元，通过用积分电路对被测量的电源电流值进行积分，并用测量的值对积分的值进行平均，它能够在短时间周期内，以高准确性对被测器件的电源电流进行测量。
本发明再一个目的是提供一种电源电流测量单元，用任意的缩放系数调整从半导体测试系统提供给被测器件的时钟信号的重复率，并与调整了的时钟信号同步地检测电源电流，它能够直接地测量被测器件的电源电流的平均值。
本发明更进一步的目的是提供一种电源电流测量单元，用任意的缩放系数，调整从半导体测试系统提供给被测器件的时钟信号的重复率，并与调整的时钟信号同步地检测电源电流，它能够检测有失效的电源电流值与提供给被测器件的特定时钟信号之间的关系。
本发明的电源电流测量单元被提供在一种半导体测试系统中，并且包含：一个D/A(数字到模拟)转换器，基于接受的数字信号，产生要被提供给被测器件的电源电压；一个运算放大器，用于形成负反馈并且把电源电压从D/A转换器提供给被测器件的一个电源引线，由此，经过一个已知电阻值的电流测量电阻器，把电源电流提供给电源引线；一个电压放大器，用于放大代表提供给被测器件的电源电流量的电压；一个积分电路，用于在预定积分时间内对电压放大器的输出信号进行积分；一个A/D(模拟到数字)转换器，用于在积分时间之后，转换积分电路的输出信号。
用于被测器件的时钟信号，是由半导体测试系统提供的，以激活被测器件的操作，并且通过电源电流测量，测量了由时钟信号产生的电源电流的平均值。本发明的电源电流测量单元中的积分电路包括一个开关，其中积分是在一个预定时间长度内打开开关来执行的。
本发明另一个方面是一个对被测半导体器件进行评估的半导体测试系统。本发明的半导体测试系统包含：测试信号发生装置，基于预先准备的事件数据，产生一个测试信号给被测器件；插针电子装置，它设置在测试信号发生装置和被测器件之间，并且它有一个驱动器，该驱动器以预定振幅提供测试信号给被测器件，它还有一个比较器，该比较器将被测器件的响应输出与预定参考电压进行比较；电源电流测量单元，它要么在这种插针电子装置内部，要么在这种插针电子装置外部，用于对被测器件的电源电流进行测量。
该电源电流测量单元包括：一个D/A转换器，基于接收到的数字信号产生要被提供给被测器件的一个电源电压；一个运算放大器，用于形成一个负反馈回路并且把电源电压从D/A转换器提供给被测器件的一个电源引线，由此，经过一个已知电阻值的电流测量电阻器，把电源电流提供给电源引线；一个积分电路，在预定积分时间里对积分电压放大器的输出信号进行积分；以及一个A/D转换器，用于在积分时间之后，转换积分电路的输出信号。
半导体测试系统提供时钟信号给被测器件，以激活被测器件的操作。本发明的半导体测试系统更进一步地包括一种缩放功能，它可以用任意的系数修改事件数据中的定时数据。通过缩放功能，调整从半导体测试系统提供给被测器件的时钟信号的重复率，时钟信号可以被设置为一个等于电源电流测量单元操作速度的重复率。相应地，可以使时钟信号周期与电源电流测量单元中积分电路开关的开/关操作同步，由此能够对应于时钟信号的具体阶段，测量电源电流。
因此，本发明的电源电流测量单元能够高速、准确地对被测器件的电源电流进行测量。因此，电源电流测量单元可以更有利地用于测量CMOS器件的电源电流IDD。通过积分电路对被测量的波形或者电源电流进行积分，根据被测量的时间平均积分值，本发明的电源电流测量单元能够在一个短时间周期内，以高准确性对被测器件的电源电流进行测量。
本发明的电源电流测量单元可以更有利地使用在基于事件的测试系统中。用任意的系数，对从基于事件的测试系统提供给被测器件的时钟信号的重复率进行调整，通过与调整了的时钟信号同步地对电源电流进行检测，电源电流测量单元能够直接地测量被测器件的电源电流的平均值。更进一步地，因为被测器件的电源电流可以与时钟信号同步地进行测量，就可能检测到有失效的电源电流值与导致该失效的特定时钟信号之间的关系。
图1A是方框图，表示传统技术中的基于周期的半导体测试系统的基本配置；
图1B是方框图，表示新型半导体测试系统——基于事件的测试系统的基本配置。
图2是方框图，表示既可以用于基于事件的测试系统又可以用于基于周期的测试系统的插针电子装置的结构。
图3是电路图，表示传统技术中，用于对被测器件的电源电流进行测量的电源电流测量单元的配置。
图4A-4D是定时图，表示图3的传统技术中电源电流测量单元中的工作情况。
图5是电路图，表示按照本发明，用于对被测器件的电源电流进行测量的电源电流测量单元配置的例子。
图6A-6C是定时图，表示图5中按照本发明的电源电流测量单元中的工作情况。
图7是方框图，表示缩放电路配置的一个例子，该缩放电路利用本发明的电源电流测量单元，以一个用于测量电源的任意系数，对从基于事件的测试系统提供给被测器件的时钟信号的重复率进行调整。
参照图5和图6来说明本发明的实施例。图5是一个方框图，表示本发明电源电流测量单元的基本结构。图6A-6C的定时图表示与图5的电源电流测量单元的操作相关的波形。本发明的电源电流测量单元通过积分电路，对被测器件的电源电流进行积分，并且获得积分电流的一个平均值，由此，高速、准确地测量了电源电流。
在图5中，电源电流测量单元包括一个D/A(数字到模拟)转换器71、一个运算放大器72、一个电流缓冲器73、一个电流测量电阻器74、一个差分放大器75、一个积分电路83、开关SW1和SW2、以及一个A/D(模拟到数字)转换器85。积分电路83有一个积分常数，它是由积分电阻器82和积分电容器C来决定的。
当要被提供给被测器件的电压量作为一个电源，由控制器比如主机规定时，D/A转换器71产生规定的电压，该电压通过运算放大器72提供给被测器件28。运算放大器72通过电流缓冲器73和电流测量电阻器74，把电源提供给被测器件28。
如图5所示，被测器件28的电源引线是测量单元中负反馈回路的一个反馈点。因此，运算放大器72的输入电压表示提供给被测器件28的电源的电压。通过运算放大器72，电源电流经过电流测量电阻器74被供给被测器件28。因此，流过被测器件的电源电流，是由电流测量电阻器74两端的电压来表示的，该电流由差分放大器75检测到。
差分放大器75的输出，通过开关SW1，被提供给积分电路83。当开关SW2闭合(接通)时，积分电路83就对输入信号进行积分。因此，表示被测器件电源电流的差分放大器75的输出电压，就由积分电路83积分了。在测量时间(积分)结束时，通过打开开关SW1使积分操作结束，积分电路83的输出电压，通过A/D转换器85，被转换成数字信号。因此，用测量时间除该数字值，就得到了被测器件的电源电流的平均值。
图6A-6C是表示图5中本发明电源电流测量单元的操作的定时图。测试系统经过驱动器35(图2)，把图6A的一个时钟信号提供给被测器件28，由此开始被测器件28的操作。虽然未示出，但测试系统也提供测试模式给被测器件28的信号引线。
在图5的电路配置中，电源电流通过电流测量电阻器74上的电压降而被检测到，其波形如图6B所示。图6B中被测量的电流波形，通过开关SW1，被提供给积分电路83。在时钟信号定时开始时，积分电路83的开关SW2是断开的，由此，启动积分操作。如图6C所示，具有脉冲形状(图6B)的被测量电流波形，被积分电路积分了。
然后，在预定数目的时钟脉冲之后，打开(断开)开关SW1，积分电路的输出电压由A/D转换器85转换成数字信号。因此，用时间长度即积分时间除数字信号形式的被测量的数值，就得到了被测器件的平均电源电流，在该时间长度期间，时钟信号被提供给被测器件。用这种方法，在预定时间内被测量的电流波形被连续地积分，在该预定时间之后，积分的电压值被A/D转换器转换成数字信号。相应地，A/D转换器中取样的定时不影响电流波形的测量。因此，在本发明中，没有必要象在传统技术中那样重复大量的取样操作，保证了高速、准确的电流测量。
通常，图5所示的电源电流测量单元的总操作速度相对较慢，比如，需要几十微秒或更长的一个时钟周期。这是因为电流测量单元中的电路配置中，包括形成负反馈回路的运算放大器和积分电路，而这会在操作中相对减慢速度。被测器件比如一个CMOS器件的时钟频率，比电源电流测量单元的操作速度高很多。因此，如前所述，相对于包含大量时钟信号的时间长度，通过获得在时间长度内的电流的平均值，而对电源电流进行测量。
在本发明的另一个方面，提供给被测器件的时钟信号的重复率，是减少到与电源电流测量单元的操作速度一致。在传统的半导体测试系统中，不可能用任意的系数(整数和分数两者都有)，自由地把时钟信号的重复率调整到和被测器件一致的。本发明的受让人在美国专利申请No.09/286,226中，提出了一个用任意的缩放系数，对基于事件的测试系统的输出事件的每个定时进行修改的设想和实施例。
图7表示上述美国专利申请中公开的缩放单元的一个重要的部分。图2B中，基于事件的测试系统的求和与缩放逻辑电路52，是由图7的一个事件求和逻辑电路62和一个事件延迟缩放电路66形成的。事件计数存储器50和事件游标存储器51的定时数据，被提供给事件求和逻辑电路62，在那里，为每个事件加了一个延迟时间。
在事件求和逻辑电路62中通过对定时数据求和而获得的数据，通过事件延迟缩放电路66乘以一个缩放系数，由此修改了事件的定时。此操作包含一个在整数部分数据和分数部分数据之间的进位过程，这在上述美国专利申请中有详细的描述。因此，在事件发生器24(图2)产生的事件被当作一个给被测器件的时钟信号的情况下，图7的这种配置能够随意地改变时钟信号的重复率。
通过使用缩放功能，图6A的时钟信号的时间周期可以被大大的加长，比如长到几十微秒，和电源电流测量单元的操作速度相等。因此，当开关SW2在与时钟信号同步的情况下被操作时，时钟信号周期和电流测量单元的操作就建立了一种一对一的同步关系。在此情况下，电源电流的一个波形就可以依据一个时钟信号周期而得到，该时钟信号周期由积分电路83和A/D转换器85测量。因此，在电源电流中检测到失效的情况下，就有可能说明(specify)这样的失效和应用于被测器件的时钟信号(测试模式)之间的关系。
如前所述，本发明的电源电流测量单元能够高速、准确地对被测器件的电源电流进行测量。因此，电源电流测量单元可以更有利地用于测量CMOS器件的电源电流IDD。通过积分电路对被测量的电流波形进行积分，根据被测量的时间平均积分值，本发明的电源电流测量单元能够在一个短时间周期内，以高准确性对被测器件的电源电流进行测量。
本发明的电源电流测量单元可以更有利地使用在基于事件的测试系统中。用任意的系数，对从基于事件的测试系统提供给被测器件的时钟信号的重复率进行调整，并且与调整了的时钟信号同步，对电源电流进行检测，由此，电源电流测量单元能够直接地测量被测器件的电源电流的平均值。因为被测器件的电源电流可以与时钟信号同步地进行测量，所以，就能够检测到有失效的电源电流值与导致该失效的特定时钟信号之间的关系。

Claims (8)

1．一种设置在一个半导体测试系统中的电源电流测量单元，用于测量流过被测器件的电源电流，包括：
一个D/A(数字到模拟)转换器，基于接收到的数字信号，产生电源电压供给被测器件；
一个运算放大器，用于形成负反馈回路，并且把电源电压从D/A转换器提供给被测器件的电源引线，由此通过一个已知电阻值的电流测量电阻器，把电源电流提供给电源引线。
一个电压放大器，把代表提供给被测器件的电源电流量的电压进行放大；
一个积分电路，在预定的积分时间内，将电压放大器的输出信号进行积分；和
一个A/D(模拟到数字)转换器，用来在积分时间之后，对积分电路的输出信号进行转换。
2．按照权利要求1所述的电源电流测量单元，其中，一个时钟信号通过半导体测试系统被提供给被测器件，以激活被测器件的操作，并且通过电源电流测量，对由时钟信号引起的电源电流的平均值，进行测量。
3．按照权利要求1所述的电源电流测量单元，其中，积分电路包括一个开关，其中，通过打开(opening)开关在一段预定的时间长度内进行积分。
4．一种半导体测试系统，它提供一个测试信号给被测半导体器件，并且对被测器件的响应输出结果进行评估，由此来测试半导体器件，该半导体测试系统包括：
一个测试信号发生装置，基于预先准备的事件数据，给被测器件产生测试信号；
一个插针电子装置，设置在测试信号发生装置和被测器件之间，该装置有一个把测试信号提供给被测器件的驱动器，该测试信号具有预定的振幅，该装置还有一个把被测器件的响应输出与预定参考电压进行比较的比较器，和
一个要么设置在插针电子装置内部，要么设置在插针电子装置外部，用来对被测器件的电源电流进行测量的电源电流测量单元；
其中，电源电流测量单元包含：一个D/A转换器，它基于接收到的数字信号，产生一个要被提供给被测器件的电源电压；一个操作放大器，用来形成负反馈回路并且把电源电压从D/A转换器提供给被测器件的电源引线，由此通过一个已知电阻值的电流测量电阻器，把电源电流提供给电源引线；一个电压放大器，用来把代表提供给被测器件的电源电流的电压进行放大；一个积分电路，用来在预定积分时间内，对电压放大器的输出信号进行积分；和一个A/D转换器，用来在积分时间之后，转换积分电路的输出信号。
5．按照权利要求4所述的半导体测试系统，其中，一个时钟信号通过半导体测试系统被提供给被测器件，以激活被测器件的操作，并且通过电源电流测量，对由时钟信号引起的电源电流的平均值，进行测量。
6．按照权利要求1所述的半导体测试系统，进一步包括缩放功能，该功能可以通过一个任意的系数，改变事件数据中的定时数据，并且其中，利用缩放功能调整从半导体测试系统到被测器件的时钟信号的重复率，由此把时钟信号调节到与电源电流测量单元的操作速度相等的重复率。
7．按照权利要求4所述的半导体测试系统，进一步包括缩放功能，它用任意的系数改变事件数据中的定时数据，其中，利用缩放功能调整从半导体测试系统到被测器件的时钟信号的重复率，由此把时钟信号调节到一个与电源电流测量单元的操作速度相等的重复率，这使得时钟信号周期与电源电流测量单元中积分电路开关的开/关操作同步，由此对时钟信号的特定阶段所对应的电源电流进行测量。
8．按照权利要求4所述的半导体测试系统，进一步包括：一个用来存储事件数据的事件存储器，该事件数据描述了每个事件的定时；一个提供地址数据给事件存储器的地址序列发生器；以及基于事件存储器中的事件数据而产生测试信号的装置。
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