DE10214885C1 - Verfahren und Teststruktur zur Bestimmung von Widerstandwerten an mehreren zusammengeschalteten Widerständen in einer integrierten Schaltung - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung von Widerstandswerten an mehreren zusammengeschalteten Widerständen (1) in einer integrierten Schaltung sowie eine Widerstandsanordnung vorgeschlagen, bei der die Widerstände (1) zu einer Ringstruktur (4) zusammengeschaltet sind. An den Knoten (3) zwischen zwei Widerständen (1) sind jeweils zwei Messpads (2) vorgesehen, die zur Stromeinspeisung beziehungsweise zur Spannungsmessung nach dem bekannten Vier-Punkt-Messverfahren verwendbar sind. Durch die Ringstruktur werden im Gegensatz zur üblichen Reihenschaltung von Widerständen (1) weniger Messpads (2) benötigt. Beispielsweise werden bei einer Ringstruktur mit vier Widerständen (1) in vorteilhafter Weise zwei Messpads (2) eingespart. Die dadurch verringerte notwendige Chipfläche für die Ringstruktur ist insbesondere bei Testschaltungen vorteilhaft, die beispielsweise im schmalen Sägerahmen zwischen zwei Chips angeordnet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Teststruktur zum Bestimmen mehrerer zusammengeschalteter Widerstände, die als integrierte Schaltung ausgebildet sind, wobei die Wider­ stände für eine Vier-Punkt-Messung Messpads aufweisen, über die sie versorgt beziehungsweise gemessen werden können.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, die als Chips in Reihen und Spalten auf einem Wafer angeordnet sind, ist schon bekannt, Teststrukturen vorzusehen, an denen ver­ schiedene Prozessparameter kontrolliert und überwacht werden können. Diese Teststrukturen enthalten beispielsweise elekt­ ronische Bauelemente wie Transistoren, Widerstände oder ähn­ liches, an denen die verschiedenen Prozessparameter zumindest stichprobenweise überprüft werden können. Derartige Test­ strukturen sind notwendig, da die integrierten Schaltungen in der Regel derart komplex aufgebaut sind, dass an ihnen selbst diese Prozessparameter nicht getestet werden können.

Bekannt ist in diesem Zusammenhang des weiteren, Widerstände zu testen, die in Form von seriellen Widerständen angeordnet sind. Insbesondere niederohmige Widerstände werden dabei mit Messpads (Pads) angeschlossen, die eine Kelvin-Kontaktierung nach der Vier-Punkt-Messmethode erlauben. Bei dieser Messme­ thode benötigt jeder Widerstand je zwei Messpads für jeden Anschluss. Da man bei der Entwicklung von integrierten Schal­ tungen aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen stets bemüht ist, die Schaltungen so klein wie möglich auszuführen, ist die hohe Anzahl von Messpads nachteilig, da diese Pads verhältnismäßig viel Platz benötigen. Insbesondere, ist die Anordnung der Testschaltungen im Sägerahmen (Kerf) zwischen den Chips schwierig, da dieser sehr schmal ist. Aber auch bei einer Anordnung auf einem Testchip wird die verfügbare Chipfläche auf dem Wafer in ungünstiger Weise belegt.

Aus der DE 36 15 550 A1 und der DE 100 12 313 A1 sind bereits Widerstandsmessanordnungen bekannt, bei denen eine ringförmi­ ge Anordnung von Widerständen vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Flächenbedarf von Teststrukturen zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten An­ sprüche 1 und 2 gelöst.

Durch die im abhängigen Anspruch aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der Er­ findung gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Wider­ standswerten mehrerer zusammengeschalteter Widerstände bezie­ hungsweise die erfindungsgemäße Teststruktur zeichnen sich dadurch aus, dass die Widerstände in einer Ringstruktur ange­ ordnet sind. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass zwar ebenfalls für jeden Widerstand vier Messpads benö­ tigt werden. Durch Mehrfachnutzung der Messpads können insge­ samt jedoch Messpads eingespart werden. Dadurch kann in vor­ teilhafter Weise die frei werdende Chipfläche eingespart oder für andere Teststrukturen genutzt werden. So können bei­ spielsweise bei einer Anordnung von vier Widerständen in der Ringstruktur zwei von sonst erforderlichen zehn Messpads ein­ gespart werden.

Die Ringstruktur weist wenigstens zwei parallel geschaltete Widerstandszweige auf. Dadurch erhält man zwei getrennte Strompfade, die für die Bestimmung der Widerstandswerte zwei lineare Gleichungen liefern, so dass die Berechnung der Wi­ derstände relativ einfach ist.

In jeden Widerstandszweig sind wenigstens zwei Widerstände in Reihe zu schalten. Dadurch ergeben sich weitere Knoten in die ein Messstrom eingespeist werden kann. Somit erhält man zwei weitere lineare Gleichungen, so dass man die vier unbekannten Widerstandswerte mit den insgesamt vier linearen Gleichungen leicht lösen kann.

Zur Bestimmung der Widerstandswerte werden die Spannungsab­ fälle an den Widerständen in Abhängigkeit vom fließenden Strom gemessen. Diese Messungen sind mit der Vier-Punkt- Methode leicht durchführbar.

Die Bestimmung der einzelnen Widerstandswerte erfolgt dabei prinzipiell nach dem per se bekannten Ohmschen Gesetz, wobei auch die Verknüpfungen der Widerstände zu berücksichtigen sind.

Eine vorteilhafte Lösung wird auch darin gesehen, die Wider­ stände als Teststrukturen von Halbleiterschaltungen einzuset­ zen. Auf diese Weise können beispielsweise durch Leiterbahnen gebildete Widerstände leicht auf ihre Sollwerte überprüft werden.

Da die Widerstände insbesondere auch auf einer Teststruktur angeordnet sein können, kann hier die verfügbare Chipfläche optimal genutzt werden.

Eine vorteilhafte Lösung besteht auch darin, die Widerstände als Teststruktur im Sägerahmen, dem sogenannten Kerf, zwi­ schen zwei Chips anzuordnen. Da diese Fläche naturgemäß sehr schmal ist, erscheint die Anordnung der Widerstände mit einer reduzierten Anzahl von Messpads besonders geeignet.

Vorteilhaft ist der Einsatz bei Speicherschaltungen wie DRAM's, wo die Packungsdichte besonders hoch, um eine mög­ lichst große Speicherkapazität zu erhalten. Die Teststruktu­ ren sollten daher besonders flächensparend ausgebildet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bekannte integrierte Widerstandsanordnung mit einer Reihenschaltung,

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer ersten Messanordnung und

Fig. 3 zeigt das obige Ausführungsbeispiel mit einer zweiten Messanordnung.

Um die Erfindungsidee besser verständlich zu machen, wird zu­ nächst anhand der Fig. 1 erläutert, wie bisher eine integ­ rierte Widerstandsanordnung mit einer Reihenschaltung von beispielsweise vier Widerständen 1 gemessen wurde. Insbeson­ dere bei kleinen Widerstandswerten, wie sie in Form von Lei­ terbahnen realisiert sein können, wird in der Regel die Vier- Punkt-Messmethode nach Kelvin angewendet. Diese Methode hat den Vorteil, dass beispielsweise Widerständen an Zuleitungen oder Übergangswiderständen an den Kontaktierungsstellen (Messpads 2), an denen die Testsonden eines Testboards auf­ setzen, praktisch eliminiert werden. Diese Messmethode beruht darauf, dass der Messstrom an getrennten Messpads 2 (Force- Leitung) eingeprägt und die Spannung an weiteren Messpads 2, den sogenannten Sense-Leitungen gemessen wird. Dadurch ge­ lingt es, beispielsweise den Spannungsabfall auf der Force- Leitung und auch den Übergangswiderstand zwischen der Force Messsonde und dem Messpad 2 zu umgehen. Der Übergangswider­ stand zwischen der Senseleitung und dem Messpad 2 einschließ­ lich deren Leitungswiderstand ist dagegen vernachlässigbar, da der Messkreis sehr hochohmig ausgebildet ist und hier im Vergleich zum Strom auf der Force-Leitung ein sehr viel ge­ ringerer Messstrom fließt. Der über den Widerstand 1 gemesse­ nen Spannungsabfall kann sehr präzise erfasst werden und ent­ spricht daher exakt dem tatsächlichen Widerstandswert, der sich nach dem Ohmschen Gesetz R = U/I bestimmen lässt, wenn der eingeprägte Strom I bekannt ist.

Nachteilig ist jedoch, dass bei dieser Anordnung für jeden Widerstandsanschluss zwei Messpads 2 benötigt werden, wie der Fig. 1 entnehmbar ist. Für die vier Widerstände R1, R2, R3 und R4 werden in diesem Beispiel somit zehn Messpads 2 benö­ tigt, auf die die Testsonden (Force beziehungsweise Sense) aufgesetzt werden können. Allgemein beträgt der Flächenbedarf für n Widerstände (n + 1).2 Messpads für die serielle Anordnung von Widerständen.

Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde in Fig. 1 nur die Son­ denanordnung für den Widerstand R2 näher dargestellt. Ent­ sprechendes gilt für die übrigen Widerstände R1, R3 und R4.

Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 werden dagegen wenigstens zwei Messpads 2 eingespart. Allgemein werden hier nur n.2 Messpads benötigt. Wie der Fig. 2 entnehmbar ist, sind die vier Widerstände R1, R2, R3 und R4 in einer Ringstruktur angeordnet. Aus jeweils zwei Wi­ derstandspaaren R1 und R2 beziehungsweise R3 und R4 wurden zwei Strompfade I12 und I14 gebildet. Jeder Strompfad I12 be­ ziehungsweise I14 weist zwei in Reihe geschaltete Widerstände R1, R2 beziehungsweise R3, R4 auf. Um die Kelvin Messmethode anwenden zu können, sind auch hier an jedem zwischen zwei Wi­ derständen 1 entstandenen Knoten 3 zwei Messpads 2 angeord­ net.

Im folgenden wird die Wirkungsweise dieser Anordnung näher erläutert. Zunächst wird in einem ersten Messschritt am lin­ ken Knoten 3 von Fig. 2 über eine Force-Leitung der Mess­ strom I10 angelegt, der sich in die beiden Strompfade I12 und I14 aufteilt. Der rechte Knoten 3 sei als 0-Punkt (0 V) oder Ground angenommen. Jetzt können - jeweils gegen Ground am rechten Knoten 3 von Fig. 2 gemessen - über Sense-Leitungen an separaten Messpads 2 die Spannungen U10, U12 und U14 ge­ messen werden. Bei den beiden Messpads 2 für den Spannungsab­ griff U12 und U14 wird bei diesem Messschritt nur ein Messpad 2 benötigt. Das zweite Messpad 2 bleibt zunächst unbenutzt.

Hieraus ergeben sich nach dem Ohmschen Gesetz und den vorlie­ genden Verknüpfungen folgende Gleichungen für die unbekannten Widerstände R1 bis R4.

I10 = I12 + I14 = U10/(R1 + R2) + U10/(R3 + R4).

Andererseits gilt

I12 = (U10 - U12)/R1 und I12 = U12/R2 (1)

Entsprechend gilt

I14 = (U10 - U14)/R3 und I14 = U14/R4 (1)

Durch Ersetzen der beiden Ströme I12 und I14 gemäß (1) ergibt sich

R2 = U12.R1/(U10 - U12) und (2)

R4 = U14.R3/(U10 - U14) (2)

Aus diesen beiden Gleichungen (2) ist ersichtlich, dass die Widerstände R1 bis R4 nur noch von den gemessenen Spannungen U10, U12 und U14 und den Widerständen R1, R3 abhängen, nicht mehr von dem eingeprägten Strom I10.

Ein zweiter Messschritt ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt die gleiche Ringstruktur 4 wie Fig. 2. Allerdings wird in Fig. 3 nun ein Strom I20 an einem weiteren Knoten (dem mittleren oberen Knoten 3) der Ringstruktur 4 eingeprägt. Der Strom fließt zum mittleren unteren Knoten 3, der jetzt den Bezugspunkt 0 V darstellt. Durch die Widerstandszweige R1 + R3 beziehungsweise R2 + R4 fließen nun die Ströme I23 und I24, so dass neben der Spannung U20 auch die Spannungen U23 und U24 gegen 0 V gemessen werden können.

Für die Einspeisung des Stromes I20 und Messung der Spannung U20 werden in diesem Messschritt beide Messpads 2 verwendet. An den beiden äußeren Knoten 3 wird dagegen für die Span­ nungsmessungen nur ein Messpad 2 benötigt.

Ähnlich wie zu Fig. 2 lassen sich auch zum Stromlaufplan der Fig. 3 nun folgende Gleichungen aufstellen.

I20 = I23 + I24 = U20/(R1 + R3) + U20/(R2 + R4) (3)

Es gilt

I23 = (U20 - U23)/R1 und I23 = U23/R3 (3)

Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich

I20 = (U20 - U23)/R1 + (U20 - U24).(U10 - U12)/(R1.U12)

Daraus folgt

R1 = (U20 - U23)/I20 + (U20 - U24).(U10 - U12))/(I20.U12) (4)

und analog hierzu ergibt sich

R3 = U23/I20 + (U24).(U10 - U14)/(I20.U14) (5)

Die Gleichungen (4) und (5) enthalten für die Berechnung der Widerstände R1 und R3 die gemessenen Spannungen U20, U23, U24, U10, U12, U14 und den Strom I20. Dadurch lassen sich zu­ nächst diese beiden Widerstände R1 und R3 berechnen. Durch Einsetzen in die beiden Formeln (2) ergeben sich auch die Wi­ derstandswerte für die beiden Widerstände R2 und R4.

Die Anordnung der Widerstände 1 in einer Ringstruktur 4 er­ fordert zwar etwas mehr Mess- und Rechenaufwand als bei einer seriellen Anordnung von Widerständen 1. Da die Messung und Berechnung jedoch kostengünstig automatisiert werden kann, ist dieser Mehraufwand gegenüber dem Mehraufwand für mehr Messpads 2 sicher gerechtfertigt.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Ringstruk­ tur 4 prinzipiell auch mit weiteren Widerständen 1 ausgebil­ det werden kann. Die Bestimmung der einzelnen Widerstände 1 ist dann entsprechend anzupassen.

Bezugszeichenliste

1

Widerstand

2

Messpad

3

Knoten

4

Ringstruktur
I10 Messstrom
I20 Messstrom
I12 Strompfad
I14 Strompfad
I23 Strompfad
I24 Strompfad
R1 Widerstand
R2 Widerstand
R3 Widerstand
R4 Widerstand

Claims (3)

1. Verfahren zum Bestimmen von Widerstandswerten in einer Teststruktur für integrierte Schaltungen mithilfe einer Vier- Punktmessung, wobei wenigstens vier Widerstände (R1, R2, R3, R4) zusammengeschaltet sind und die Widerstände Messpads (2) aufweisen, um einen Messstrom aufzuprägen und einen Span­ nungsabfall zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Widerstände (R1, R2, R3, R4) zu einer Ringstruktur (4) zusammengeschlossen werden, wobei jeweils zwei Widerstände (1) über einen Knoten (3) miteinander verbunden sind, und wo­ bei jeder vier Knoten (3) zwei Messpads (2) aufweist, die je­ weils zur Stromeinspeisung und Spannungsmessung verwendbar sind,
wobei in einem ersten Messschritt über das ein Messpad an ei­ nem ersten Knoten eine erster Messstrom (I10) angelegt wird, der auf zwei parallel geschaltete Widerstandszweige (I12, I14) aufteilt wird, wobei jeder Widerstandszweig wenigstens zwei in Reihe geschaltete Widerstände aufweist, wobei über das zweite Messpad des ersten Knotens und jeweils ein Messpad der beiden dem ersten Knoten benachbarten Knoten erste, zwei­ te und dritte Spannungen (U10, U12, U14) gemessen werden, wo­ bei die Messpads des weiteren verbleibenden Knotens als 0- Punkt dienen,
wobei in einem zweiten Messschritt über das ein Messpad an einem zweiten Knoten eine zweiter Messstrom (I20) angelegt wird, der auf zwei parallel geschaltete Widerstandszweige (I23, I24) aufteilt wird, wobei jeder Widerstandszweig we­ nigstens zwei in Reihe geschaltete Widerstände aufweist, wo­ bei über das zweite Messpad des zweiten Knotens und jeweils ein Messpad der beiden dem zweiten Knoten benachbarten Knoten vierte, fünfte und sechste Spannungen (U20, U23, U24) gemes­ sen werden, wobei die Messpads des weiteren verbleibenden Knotens als 0-Punkt dienen, und
wobei die Widerstandswerten der vier Widerstände (R1, R2, R3, R4) aus den gemessenen Spannungen und den angelegten Mess­ strömen bestimmt werden.

2. Teststruktur für integrierte Schaltungen zum Bestimmen von Widerstandswerten von wenigstens vier zusammengeschalte­ ten Widerstände (R1. . .R4) mithilfe einer Vier-Punktmessung, wobei die Widerstände (R1. . .R4) mit Messpads (2) verbunden sind, um einen Messstrom aufzuprägen und einen Spannungsab­ fall zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (1) zu einer Ringstruktur (4) zusammenge­ schlossen sind, wobei die Ringstruktur wenigstens zwei paral­ lel geschaltete Widerstandszweige ausbildet, wobei jeder Wi­ derstandszweig wenigstens zwei in Reihe geschaltete Wider­ stände (1) aufweist, wobei jeweils zwei Widerstände (1) über einen Knoten (3) miteinander verbunden sind, und wobei jeder Knoten (3) zwei Messpads (2) aufweist, die zur Stromeinspei­ sung und zur Spannungsmessung verwendbar sind.

3. Teststruktur nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung auf einem Wafer im Sägerahmen zwischen zwei integ­ rierten Speicherschaltungen, vorzugsweise zwischen zwei DRAM- Speicherschaltungen.