DE2349607A1 - Verfahren zur wechselstrom-guetepruefung von integrierten schaltungen - Google Patents

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 029

Verfahren zur Wechselstrom-Güteprüfung von integrierten Schaltungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wechselstrom-Güteprüfung von auf einem Halbleiter-Chip integrierten Schaltkreiselementen.

Sie bezieht sich insbesondere auf die Prüfung des Wechselstromoder dynamischen Verhaltens des Chips während des Herstellungsprozesses solcher hochintegrierter Halbleiteranordnungen.

Die Wechselstrom-Güteprüfung von hochintegrierten Schaltkreischips mit Hilfe von Prüfschaltungen, wie beispielsweise Prüfümlaufschleifen, einschließlich einiger der integrierten Schaltkreiselemente, ist an sich bekannt und beispielsweise in dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Volume 13, Nr. 5, Oktober 1970, Seite 1373, beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren wird jedoch die Prüfschaltung während des letzten Metallisierungsschrittes gebildet, und darüber hinaus werden nur einzelne bestimmte Schaltkreiselemente in ausgewählten Bereichen des Chips für eine Personalisierung zur selbstumlaufenden Prüfschleife bestimmt. Dabei werden nicht alle Schaltkreiselemente hinsichtlich ihres Wechselstromverhaltens geprüft. Darüber hinaus stehen auch diejenigen Schaltkreiselemente, die für die Wechselstromprüfung

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bestimmt sind, nicht für die spätere Verwendung in den endgültigen Schaltkreiskonfigurationen auf dem Chip zur Verfügung.

Die Wechselstromprüfung ist zur Gewährleistung der Gütestufen vieler hochintegrierter logischer Schaltkreistechnologien erforderlich, da manche der möglichen Fehlerarten keinen Gleichstrom-Logikfehler verursachen, sondern nur zu einer geringeren Umschaltzeit, als der erwarteten, in einem logischen Schaltkreis führen. So wird zwar die korrekte Boole'sehe Funktion realisiert, der Schaltkreis kann aber trotzdem in der Maschine nicht richtig arbeiten, da Zeittaktprobleme auftreten können.

Die Durchführung einer vollständigen Wechselstromprüfung der hochintegrierten Schaltkreischips mit Hilfe bekannter Techniken ist leider ein sehr aufwendiges Verfahren, da die Prüfung für jede zu prüfende logische Schaltung personalisiert werden muß. Für jede Schaltung müssen daher die Eingangssignalübergänge erzeugt und die Logik hinsichtlich der technologischen Verzögerungs gleichung simuliert werden, um eine meßbare Ausgangsreaktion zu erzeugen. Nachteilig ist daher, daß es für die Prüfgeräte hochintegrierter Schaltkreischips notwendig ist, daß diese an jedem Anschlußstift des Schaltkreischips eine Wechselstromeinrichtung benötigen, und es außerdem erforderlich ist, genaue Zeitmessungen in einer relativ kurzen Zeit vorzunehmen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile bekannter Einrichtungen zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zur Wechselstrom-Güteprüfung von hochintegrierten Schaltkreischips anzugeben, mit dessen Hilfe eine genaue Prüfung auf das Vorliegen von Wechselstrom-Fehlern, als ein Prozeßschritt, durchgeführt werden kann, wobei diese Prüfung von der Personalisation der endgültigen Logik, die auf einem Chip realisiert werden soll, unabhängig ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht dann darin, den Prozeß der Metallisierung, einschließlich Hilfs- und Meßverbin-

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düngen, optimal zu gestalten.

Für ein Verfahren zur Wechselstrom-Güteprüfung von auf einem Ilalbleiterchip integrierten Schaltkreiselementen besteht die Erfindung darin, daß während des Herstellungsprozesses der integrierten Schaltung noch folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden.

a) Eine zeitweilige, mindestens die Dauer der Prüfung umfassende Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen Schaltkreiselementen eines Chips zur Bildung einer Prüfschaltung,

b) Anlegen der Gleichstrom-Betriebspotentiale an die Schaltkreiselemente,

c) Messung der Laufzeit eines elektrischen Stromes durch die Prüfschaltung, und

d) Unterbrechung mindestens einiger der zeitweilig hergestellten Verbindungen zwischen Schaltkreiselementen in der Prüfschaltung vor der Herstellung der Verbindungen für die endgültige Schaltkreiskonfiguration.

Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden deutlich, wenn man berücksichtigt, daß die Verfahrensschritte der Metallisierung oder "Verdrahtung" bei hochintegrierten Schaltungen höchste Genauigkeit erfordern und zu den Gesamtherstellungskosten enorm beitragen, so daß man bisher den Herstellungsprozeß so zugeschnitten hat, daß die Schritte für solche Metallisierungen minimal gehalten wurden.

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Wenn daher in den Ablauf eines Halbleiterherstellungsverfahrens noch ein weiterer Metallisierungsschritt hinzugefügt wird, wie es beim Gegenstand der Erfindung der Fall, dann nur um den Preis eines relativ hohen Vorteils, der darin besteht, daß die Genauigkeit und Vollständigkeit der Wechselstrom-Güteprüfung mit einem außerordentlich geringen Umfang an Kosten und Zeit durchgeführt werden kann. Es ist in diesem Zusammenhang auch von besonderer Bedeutung, daß alle Schaltungen, die sich auf einem Urchip eines hochintegrierten Schaltkreischips befinden, in beiden Richtungen innerhalb einer vorgegebenen Umschaltzeit umschalten.

Die Vorteile auf der Kostenseite werden unter anderem auch dadurch erreicht, daß als defekt erkannte Chips bereits aus dem Herstellungsprozeß ausgesondert werden, bevor der recht kostspielige Prozeßschritt der endgültigen Personalisierung vorgenommen wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figur erläutert. Diese Figur zeigt in einer schematischen Darstellung, wie alle Schaltkreiselemente eines hochintegrierten Schaltkreischips für die bevorzugte Ausführungsform des Wechselstrom-Prüfverfahrens gemäß der Erfindung miteinander verbunden sind.

Mit Hilfe irgendeines bekannten Herstellungsprozesses für integrierte Schaltungen werden eine Vielzahl integrierter Schaltkreiselemente 10 auf einem Halbleiterchip oder -wafer 12 gebildet. Diese Schaltkreiselemente können beispielsweise 200 bis 1000 logische Torschaltungen in einem hochintegrierten Schaltkreischip enthalten.

Jedes einzelne Schaltkreiselement 10 ist fähig, eine logische Inversionsfunktion durchzuführen und kann ein NAND- oder NOR-Element sein. Jedes Element 10 ist auch in der Lage, Signale in zwei Richtungen durchzuschalten.

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Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vor dem endgültigen Metallisierungsschritt für die Schaltkreispersonalisierung die Ausgangsverbindung 14 jedes Schaltkreiselementes mit einer Eingangsverbindung 16 eines anderen Chips in einem vorläufigen Metallisierungsschritt hergestellt, bis alle Schaltkreiselemente mit Hilfe der metallisierten Streifen 18 effektiv in Reihe geschaltet sind, um eine Umlaufschleife zu bilden. Diese metallisierten Verbindungsstreifen zwischen den Schaltkreiselementen sind, wie noch zu sehen sein wird, nur für eine bestimmte Zeitdauer vorhanden.

Eines der Schaltkreiselemente, beispielsweise 20, dient als Pufferschaltung und ist an jedem gewünschten Punkt in der Schleife zwischen zwei Schaltkreiselementen eingeschaltet. Der Ausgang der Pufferschaltung 20 dient als Treiber für den Ein-/Ausgabeanschluß 22, der durch einen metallisierten Bereich auf dem Chip gebildet wird.

Im Gegensatz zu bereits bekannten Konzepten wird nun an die Prüf-Schleife Leistung dadurch angelegt, daß die normalen Gleichstrom-Betriebspotentiale an alle Schaltkreiselemente angelegt werden, wodurch die Schleife zu Schwingungen angeregt wird. Die Frequenz dieser Eigenschwingung der Schleife wird am Ein-/Ausgabeanschluß 22 mit Hilfe eines geeigneten Frequenzdetektors 24 festgestellt. Die Schwingungsfrequenz ist dann ein indirektes Maß der Schaltgeschwindigkeiten der Schaltkreiselemente in der Schleife. Die Summe aller Schaltkreisverzögerungen in der Schleife ist gleich l/2f, wobei f die gemessene Schwingungsfrequenz ist.

Eine andere Voraussetzung für die Schwingung ist, daß die Schleife eine ungerade Anzahl von Schaltkreiselementen 10 enthält. Aus dem Chip kann jede beliebige Anzahl von Umlaufschleifen gebildet werden, wobei deren Zahl nur von der Zahl der Ein-/Ausgabeanschlüsse abhängt, die mit einer gewünschten Prüfgenauigkeit untersucht werden können. Es gilt hierbei, daß, je kürzer die Schleife ist, um so geringer auch die Wahrscheinlichkeit ist, daß ein

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langsames Schaltkreiselement von einem oder mehreren schnellen Schaltkreiselementen herausmaskiert werden wird.

Wenn eine Schleife diese Wechselstromgüteprüfung zufriedenstellend durchlaufen hat, indem sie gezeigt hat, daß ihre Gesamtverzögerungszeit unterhalb eines vorgegebenen zulässigen Viertes liegt, dann werden die nur vorübergehend benötigten Schaltkreis-(Hilfs-) Verbindungen 18 wieder entfernt oder unterbrochen. Diese Unterbrechung kann vor oder während der Personalisierung oder der endgültigen Metallisierung der Schaltkreiselemente in eine gewünschte endgültige Schaltkreiskonfiguration durchgeführt werden. Die Unterbrechung kann mit Hilfe eines zusätzlichen Elektronenstrahls und einer Ätzoperation oder eines zusätzlichen Maskierungsschrittes und einer Ätzoperation vorgenommen werden.

Als eine Alternative zur Beseitung der Schleifenverbindungsstreifen kann auch ein lichtempfindlicher Eingangsanschluß beigegeben und als Eingangsanschluß für die Umlaufschleife verwendet werden. Die Wechselstromprüfung wird dann so durchgeführt, daß der Chip belichtet wird, um diese lichtempfindlichen Anschlüsse leitfähig zu halten, während an den Chipprüfling Leistung angelegt wird. Nach der endgültigen Personalisierung muß dann der Chip für die normale Operation dunkel gehalten werden oder die lichtempfindlichen Vorrichtungen müssen mit einem lichtundurchlässigen Material vor der Personalisierung überzogen werden, um sicherzustellen, daß diese nur vorübergehend benötigte Prüfschleife offen bleibt.

Wenn diese Wechselstrom-Güteprüfung in ein Halbleiterherstellungsverfahren eingefügt wird und nur diejenigen Chips, die dieses Prüfverfahren zufriedenstellend durchlaufen haben, endgültig personalisiert werden, dann ist die Güte des Endproduktes nur noch eine Funktion des Personalisierungsprozesses. Die hieraus resultierende hohe Ausbeute erlaubt weniger kostspielige Endprüfungen und den vollständigen Verzicht auf die Wechselstrom-Prüfung des Endproduktes. Weiterhin kann die endgültige Persona-

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lisierung den Vorteil aus dieser Prüfung ziehen, da die verbesserte Wechselstrom-Prüfmethode der Erfindung die korrekte Operation aller Schaltkreiselemente auf dem Chip verifiziert. Der Vorteil, den der Personalisierungsprozeß erbringt, resultiert daraus, daß nur diejenigen Chips personalisiert werden, die diese Wechselstrom-Prüfung erfolgreich durchlaufen, wodurch der Durchsatz vergrößert wird und dadurch den Nachteil durch den Zusatzschritt der Metallentfernung der Umlaufschleife mehr als wett macht. Darüber hinaus ist es auch nicht mehr notwendig, nur zeitweise benötigte Hilfsverbindungsstreifen, die ebenfalls in der endgültigen Schaltkreiskonfiguration erscheinen würden, vor dem endgültigen Personalisierungsprozeß zu entfernen.

Während im vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Prüfschaltung in der Form einer Umlaufschleife betrachtet wurde, ist es auch möglich, eine andere Form der Prüfschaltung zu wählen, wie beispielsweise eine Prüfschaltung in der Form eines Schieberegisters. Auch hier wird dem Chip wieder Leistung zugeführt und dann ein Signal an den Eingang des Registers angelegt und die Laufzeit des Signals als Indikation der Wechselstromgüte, d.h. der Schaltverzögerungszeit, beobachtet.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ' 1 .J Verfahren zur Wechselstrom-Güteprüfung von auf einem Halbleiterchip integrierten Schaltkreiselementen, dadurch gekennzeichnet, daß während des Herstellungsprozesses der integrierten Schaltung noch folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

   a) eine zeitweilige, mindestens die Dauer der Prüfung umfassende Herstellung von elektrischen Verbindungen (14, 16, 18) zwischen Schaltkreiselementen (10) eines

   Chips zur Bildung einer Prüfschaltung,

   b) Anlegen der Gleichstrom-Betriebspotentiale an die Schaltkreiselemente,

   c) Messung der Laufzeit eines elektrischen Stromes durch die Prüfschaltung und

   d) Unterbrechung mindestens einiger der zeitweilig hergestellten Verbindungen zwischen den Schaltkreiselementen in der Prüfschaltung vor der Herstellung der Verbindungen für die endgültige Schaltkreiskonfiguration.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreiselemente in beiden Richtungen durchschaltefähig sind und die zeitweilige Herstellung der Verbindungen nach Schritt a) gemäß Anspruch 1 für eine ungerade Anzahl von Schaltkreiselementen erfolgt, die zu einer Umlaufschleife derart zusammengeschaltet sind, daß der Ausgang eines Schaltkreiselementes jeweils mit dem Eingang eines anderen Schaltkreiselementes verbunden ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen der Betriebspotentiale an die Umlaufschleife eine Eigenschwingung dieser Schleife bewirkt und die Messung gemäß c) in Anspruch 1 sich auf eine Messung der Frequenz der Eigenschwingung der Umlaufschleife bezieht,

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   und eine Indikation der Wechselstromgüte der aneinandergeschalteten Schaltkreiselemente darstellt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Unterbrechung gemäß d) in Anspruch 1 die Unterbrechung der Verbindungen zwischen allen Schaltkreiselementen vor der Zusammenschaltung dieser Elemente in der gewünschten endgültigen Schaltkreiskonfiguration beinhaltet.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der zeitweiligen Herstellung von Verbindungen gemäß Verfahrensschritt a) in Anspruch 1 die vorübergehende Zusammenschaltung von im wesentlichen allen Schaltkreiselementen auf einem Chip in eine oder mehrere Testschaltungen beinhaltet.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreiselemente in Serie miteinander zu einer Prüfschleife zusammengefaßt werden, wobei einem Schaltkreiselement die Funktion der Signalpufferung und Auskopplung auf eine Meßvorrichtung zugeordnet ist.
7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenschaltung der Schaltkreiselemente nach Art eines Schieberegister erfolgt.
8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfverbindungen durch lichtempfindliche Elemente gebildet sind, die nur während des PrüfVorganges mit Lichtstrahlung beaufschlagt werden.

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