DE2349607C2

DE2349607C2 - Verfahren zur Prüfung der Schaltgeschwindigkeit von integrierten Schaltkreiselementen

Info

Publication number: DE2349607C2
Application number: DE2349607A
Authority: DE
Inventors: Maurice Thomas Wappinger Falls N.Y. McMahon jun.
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-10-03
Publication date: 1983-09-29
Also published as: JPS5615139B2; US3781670A; JPS4999280A; GB1425190A; DE2349607A1; CA982230A; FR2212551B1; FR2212551A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Schaltgeschwindigkeit von auf einem Halbleiterchip integrierten Schaltkreiselementen, die zu ihrer Prüfung zu einer Schleife zusammengeschaltet sind.

Sie bezieht sich insbesondere auf die Prüfung des Schalt- oder dynamischen Verhaltens des Chips während des Herstellungsprozesses solcher hochintegrierter Halbieiteranordnungen.

Die Prüfung des dynamischen Verhaltens von hochintegrierten Schaltkreischips mit Hilfe von Prüfschaltungen, wie beispielsweise Prüf-Umlaufschleifen, 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, der der Herstellung der Verdrahtung dient, gebildet, und darüber hinaus werden nur einzelne bestimmte Schaltkreiselemente in ausgewählten Bereichen des Chips für eine Einbeziehung in die selbstumlaufende Prüfschleife bestimmt. Dabei werden nicht alle Schaltkreiselemente hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens geprüft Darüber hinaus stehen auch diejenigen Schaltkreiselemente, die für die Prüfung der Schaltgeschwindigkeit bestimmt sind, nicht für die spätere Verwendung in den endgültigen Schaltkreiskonfigurationen auf dem Chip zur Verfügung.

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

Die Durchführung einer vollständigen Schaltgeschwindigkeitsprüfung der hochintegrierten Schaltkreischips mit Hilfe bekannter Techniken ist leider ein sehr aufwendiges Verfahren, da die Prüfkonfiguration für jede zu prüfende logische Schaltung verdrahtet werden muß. Für jede Schaltung müssen daher die Eingangssignalübergänge erzeugt und die Logik hinsichtlich der technologiebedingten Parameter, welche die Verzögerung bestimmen, um eine meßbare Ausgangsreaktion zu erzeugen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Schaltgeschwindigkeitsprüfung von hochintegrierten Haibleiterehips anzugeben, mit dessen Hilfe eine genaue Prüfung auf dynamische Fehler, als ein Prozeßschritt bei der Herstellung hochintegrierter Halbleiterchips durchgeführt werden kann, wobei diese Prüfung von der Konfiguration der endgültigen Logik, die auf einem Chip realisiert werden soll, unabhängig sein soll.

Gelöst wird diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die im Hauptanspruch angegebenen

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 Verdrahtung bei hochintegrierten Schaltungen höchste Genauigkeit erfordern und zu den Gesamtherstellungskosten in starkem Maße betragen, so daß man bisher den Herstellungsprozeß so zugeschnitten hat, daß die Schritte für solche Verdrahtungsnietallisierungen minimal gehalten wurden.

Wenn daher in den Ablauf eines Halbleiterherstellungsverfahrens noch ein weiterer Metallisierungsschritt hinzugefügt wird, wie es beim Gegenstand der is Erfindung der Fall ist, dann nur wegen eines relativ großen Vorteils, der darin besteht, daß die Genauigkeit und Vollständigkeit der Schaltgeschwindigkeitsprüfung 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 Urciäip 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 Schaltkreiskonfiguration vorgenommen wird.

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

Mit Hilfe irgendeines bekannten Herstellungsprozesses für integrierte Schaltungen werden eine Vielzahl to integrierter Schaltelemente 10 auf einem Halbleiterchip oder -wafer 12 gebildet. Diese Schaltkre^;selemente können beispielsweise 200 bis 1000 logische Torschaltungen in einem hochintegrierten Schaltkreischip enthalten. -»5

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

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vor dem endgültigen Meiallisierungsschritt für die Verdrahtung der Schaltkreiskonfiguration die Ausgangsverbindung 14 jedes Schaltkreiselementes mit einer Eingangsverbindung 16 eines anderen Chips in einem vorläufigen Metallisierungsschritt hergestellt, bis alle Schaltkreiselemente mit Hilfe der metallisierten Verbindungen 18 effektiv in Reihe geschaltet sind, um eine Umlaufschleife zu bilden. Diese metallisierten Verbindungen zwischen den Schaltkreiselementen sind, &o 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 nin-/Ausgabeanschluß 22, der durch einen metallisierten Bereich auf dem Chip gebildet wird.

Im Gegensatz zu bereits bekannten Konzepten wird nun der Prüfschleife Leistung dadurch zugeführt, daß die normalen Versorgungsspannungen 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 V₂ f, wobei /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, umso geringer auch äs? Wahrscheinlichkeit ist, daß ein langsames Schaltkreiselement von einem oder mehreren schnellen Schaltkreiselementen verdeckt wird.

Wenn eine Schleife diese Schaltgeschwindigkeitsprüfung zufriedenstellend durchlaufen hat, indem sie gezeigt hat, daß ihre Gesamtverzögerungszeit unterhalb eines vorgegebenen zulässigen Wertes liegt, dann werden die nur vorübergehend benötigten Verbindungen 18 wieder entfernt oder unterbrochen. Diese Unterbrechung kann vor oder während der endgültigen Verdrahtungsmetallisierung 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 Beseitigung der Schleifenverbindungen kann auch ein lichtempfindlicher Eingangsanschluß beigegeben und als Eingangsanschluß für die Um^! aufschleife verwendet werden. Die Schaltgeschwindigkeitsprüfung wird dann so durchgeführt, daß der Chip belichtet wird, um diese lichtempfindlichen Anschlüsse leitfähig zu halten, während an den Chipprüfling die Versorgungsspannungen angelegt werden. Nach der endgültigen Verdrahtung muß dann der Chip für die normale Operation dunkel gehalten werden oder die lichtempfindlichen Vorrichtungen müssen mit einem lichtundurchlässigen Material vor der Verdrahtung überzogen werden, um sicherzustellen, daß diese nur vorübergehend benötigte Prüfschleife offen bleibt.

Wenn, diese Schaltgeschwindigkeitsprüfung in ein Halbleiterherstellungsverfahren eingefügt wird und nur diejenigen Chips, dis dieses Prüfverfahren zufriedenstellend durchlaufen haben, endgültig verdrahtet werden, dann ist die Güte des Endproduktes nur noch eine Funktion des Verdrahtungsprozesses. Die hieraus resultierende hohe Ausbeute erlaubt weniger kostspielige Endprüfungen und den vollständigen Verzicht auf die Schaltgeschwindigkeitsprüfung des Endprodukt.es. Weiterhin kann die endgültige Verdrahtung Vorteil aus dieser Prüfung ziehen, da die verbesserte Schaltgeschwindigkeits-Prüfmethode die korrekte Operation aller Schaltkreiselemcnte auf dem Chip verifiziert. Der Vorteil, den der Verdrahtungsprozeß erbringt, resultiert daraus, daß nur diejenigen Chips endgültig verdrahtet werden, die diese Schaltgeschwindiekeits-Prüfung er-

folgreich durchlaufen, wodurch der Durchsatz vergrößert wird und dadurch den Nachteil durch den Zusatzschritt der Unterbrechung der Umlaufschleife mehr als wett macht. Darüber hinaus ist es auch nicht mehr notwendig, nur zeitweise benötigte Verbindungen, die ebenfalls in der endgültigen Schaltkreiskonfiguration erscheinen wurden, vor dem endgültigen Verdrahtungsprozeß zu entfernen.
Während im vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel eine Prüfschaltung in der Form einer Umlaufschleife betrachtet wurde, ist es auch möglich, eine andere Form der Prüfschaltung zu wählen, wie b3ispielsweise eine Prüfschaltung in der Form eines Schieberegisters. Auch hier werden dem Chip wieder Versorgungsspannungen zugeführt und dann ein Signal an den Eingang des Registers angelegt und die Laufzeit des Signals als Indikation der dynamischen Güte, d. h. der Schaltverzögerungszeit, beobachtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Prüfung der Schallgeschwindigkeit von auf einem Halbleiterchip integrierten Schaltkreiselementen, die zu ihrer Prüfung zu einer Schleife zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß während des Herstellungsprozesses der integrierten Schaltung noch folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

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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 von Versorgungsspannungen an die Schaltkreiselemente,

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

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

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreiselemente in beiden Richtungen durchschaltfähig sind und die zeitweilige Herstellung der Verbindungen nach Schritt a) gemäß Anspruch 1 für eine ungerade Anzahl von SchaltkreiseLv'menten erfolgt, die zu einer Umlaufschleife derart zusammenger-ohaltet sind, daß der Ausgang eines Schaltkreiselementes jeweils mit dem Eingang eines anderen S'chai^'reiselementes verbunden ist

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen der Versorgungsspannungen 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, und eine Indikation der Schaltgeschwindigkeit der aneinandergeschalteten Schaltkreiselemente darstellt.

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. 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreiselemen- so te in Serie miteinander zu einer Prüfschleife zusammengefaßt werden, wobei einem Schaltelement die Funktion der Signalpufferung und Auskopplung auf eine Meßvorrichtung zugeordnet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenschaltung der Schaltkreiselemente nach Art eines Schieberegisters erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfverbindungen durch lichtempfindliche Elemente gebildet sind, die nur während des Prüfvorganges mit Lichtstrahlung beaufschlagt werden.