DE2528700B1 - Pruefschaltung fuer integrierte Halbleiterschaltungen - Google Patents

Description

• Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Danach besteht die Prüfschaltung aus einem selbstschwingenden Oszillator, dessen Eigenfrequenz als Anzeige für die Wechselstromparameter der in der Nutzschaltung enthaltenen Elemente gewertet wird. Der Oszillator befindet sich dabei in demjenigen Bereich des Halbleitersubstrats, der beim Zerschneiden oder Zerbrechen des Substrats zerstört wird. Dadurch ist der Nutzbereich des Halbleitergrundkörpers nicht eingeschränkt.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Prüfschaltung als Ringoszillator ausgebildet, die insbesondere aus Bauelementen der gleichen Art besteht, wie diejenigen, deren Wechselstromparameter überprüft werden sollen. So wird man beispielsweise den Ringoszillator aus PNP-Transistoren aufbauen, wenn in einer Nutzschaltung PNP-Transistoren verwendet werden, deren Kennwerte kritisch für die Gesamtfunktion der Schaltung sind.
• Durch die Verwendung eines Ringoszillators läßt sich in einfacher Weise durch Veränderung der Stufenzahl des Oszillators die Ausgangsfrequenz der Prüfschaltung bestimmen. Dabei ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Frequenzkonstanz bei der Erhöhung der Anzahl der Stufen ebenfalls wächst. Um auch noch die Belastung des Ausgangs während der Messung ohne Einfluß auf die vom Oszillator erzeugte Frequenz zu machen, kann eine Entkoppelstufe am Ausgang vorgesehen werden In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert. In den Figuren ist eine Schaltung gezeigt, die sich zur Durchführung der Erfindung besonders eignet Die Funktion dieser Schaltung wird nachfolgend beschrieben.
• Der Oszillator (F i g. 2) besteht aus einer Ringschaltung einer ungeraden Anzahl von Inverterstufen, die in F i g. 1 dargestellt sind. Jede Inverterstufe besteht aus den Transistoren T1 und T2 und dem Widerstand R.
• Der NPN-Transistor T2 und der Widerstand R arbeiten als Stromquelle für den eigentlichen aktiven Transistor T1. Der Strom Jin jeder Inverterstufe ist also konstant und errechnet sich aus Es sei angenommen, daß der Transistor T1.1 leitend ist Dann liegt die Kollektorspannung VC1 des Transistors T1.1 eine Sättigungsspannung VSAT T1.1 (also etwa 100 mV) negativer als GND. Da der Kollektor des Transistors T1.1 mit der Basis des Transistors T1.2 verbunden ist, ist dieser Transistor T1.2 gesperrt. Damit ergibt sich für VC2 eine Spannung: VC2 = GND - VBE T1.3 Es fließt nämlich der Kollektorstrom J2 von GND über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T13.
• Daraus ergibt sich, daß der Transistor T13 in diesem Zustand ebenfalls leitend ist.
• Dies gilt für einen aufgetrennten Ring. Verbindet man jetzt den Punkt A mit dem Punkt B, so wird der Ring geschlossen. Da VC3 wieder um eine Sättigungsspannung unter GND liegt, wird der Transistor T1.1 gesperrt. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit mit der der Transistor T1.1 abschaltet, wird der Kollektorstrom des Transistors T1.1 zu Null. Der Kollektorstrom des Transistors T2.1, der konstant ist, wird jetzt den Knoten VCI tiefer ziehen Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Spannung ändert, hängt ab sowohl von der internen Geschwindigkeit des Transistors T1.1 als auch von der Größe des Stromes J 1 und der Summe der (parasitären) Kapazitäten CC1 und CBS2.
• Die interne Schaltgeschwindigkeit des Transistors T1 wird durch interne Kapazitäten, die proportional dem Strom sind, bestimmt. Für hohe Ströme jl überwiegt die interne Kapazität, die konstanten Streukapazitäten können vernachlässig werden. Hingegen nimmt für kleine Ströme J1 die interne Kapazität so ab. daß die konstanten Streukapazitäten überwiegen. Der Strom j 1 läßt sich in weiten Grenzen durch Anderung der Spannung VS variieren. Durch Mehrfachmessung bei verschiedenen Strömen lassen sich die Wechselstrom-Parameter separieren und bestimmen. Das nachfolgende Beispiel ist für kleine Ströme J 1 ausgeführt.
• Vernachlässigt man die Abschaltgeschwindigkeit des Transistors T1.1, so würde die Spannung am Punkt VC1 linear nach der Gleichung absinken. Der Anfangswert war VC1=GND-VSATT1.1.
• Der Endwert ist: VC1=GND-VBET1.1.
• da dann die Spannung auf diesen Wert von dem Transistor T1.2 begrenzt wird.
• Mit den nachfolgenden Annahmen: VSATT1 = 0,1 V VBET1=0.7V CC + CB = 1 pF J = 0,1 mA ergibt sich eine Umladezeit =6 ns Nach dieser Zeit dt wird der Transistor T1.2 eingeschaltet. Damit wird der Transistor T13 ausgeschaltet, was wiederum bewirkt, daß T1.1 leitend wird.
• Die Ringschaltung schwingt also. Die Schwingfrequenz hängt somit von der Stufenzahl n, die ungerade sein muß, ab. Sie errechnet sich aus: Es ist sehr einfach, die Frequenz fzu messen und mit Hilfe obiger Gleichung die Verzögerung dt zu berechnen.
• Zur Entkopplung des Ausgangssignals des Ringoszillators kann an den Anschluß B (F i g. 2) eine Entkopplungsschaltung ausgeschlossen werden, wie sie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist. Sie besteht aus einer Emitterfolgeschaltung aus dem Transistor T3, dem Koppelwiderstand RA2, der mit dem Anschluß B verbunden ist, und dem Arbeitswiderstand RA 1. Am Ausgang D kann das Signal abgenommen werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Prüfschaltung bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen, die sich auf dem gleichen Grundkörper wie die Halbleiterschaltung, jedoch von dieser räumlich und elektrisch getrennt, befindet, und aus aktiven und passiven Bauelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfschaltung (F i g. 1) als selbstschwingender Oszillator (Fig. 2) ausgebildet ist, und sich in den von Halbleiterschaltungen nicht nutzbaren Bereichen befindet.
2. 2. Prüfschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Ringoszillator ausgebildet ist.
3. 3. Prüfschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzbestimmenden aktiven Elemente (T1.1, T1.2, T13) des Ringoszillators den gleichen Aufbau aufweisen, wie diejenigen Elemente der Halbleiterschaltung, deren Eigenschaften, insbesondere Wechselstrom-Parameter, geprüft werden sollen.
4. 4. Prüfschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Parameter von PNP-Transistoren der Halbleiterschaltung die frequenzbestimmenden aktiven Elemente des Ringoszillators aus PNP-Transistoren bestehen.
5. 5. Prüfschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringoszillator aus n = 2m-1 Stufen besteht, worin m die natürlichen Zahlen bedeuten.
6. 6. Prüfschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Stufen (Fig. 1) aus der Reihenschaltung eines PNP-Transistors (T1), eines NPN-Transistors (T2) und eines Widerstandes (R) besteht und daß die Basis des PNP-Transistors einer Stufe mit dem Emitter einer benachbarten Stufe verbunden ist und die Basisanschlüsse der NPN-Transistoren parallel verbunden sind.
7. 7. Prüfschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entkopplung des Ausgangssignals eine über einen Widerstand (RA 2) angeschlossene Emitterfolgestufe (F i g. 3) vorgesehen ist.

   Die Erfindung liegt auf dem Gebiet integrierter Halbleiterschaltungen, insbesondere solcher, die eine sehr große Anzahl von Einzelelementen enthalten und daher als Halbleitergroßschaltungen bezeichnet werden.

   Für die Prüfung solcher Schaltungen ist es beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1901665 bekannt, auf verschiedenen Stellen des meist als Substrat bezeichneten Halbleiterplättchens, auf dem sich die Nutzschaltungen befinden, zusätzliche Schaltungen anzuordnen, die zur Messung bestimmter elektrischer Kenndaten der Nutzschaltungen dienen können.

   Diese Schaltungen seien hier als Prüfschaltungen bezeichnet. In der genannten deutschen Auslegeschrift 1901665 sind Prüfschaltungen beschrieben, die mindestens zwei Transistoren enthalten und insgesamt zwei Arten von Schaltungen umfassen. Die eine dient zur Messung elektrischer Kenndaten der Schaltungsele- mente und die andere zur Messung von Kontaktwiderständen der Leitungsbahnen. Dementsprechend sind beide für reine Gleichstrommessungen ausgelegt; die Ermittlung von Wechselstromparametern der Schaltungselemente ist damit nicht möglich. Andererseits sind nun gerade die Wechselstrom-Kenngrößen von Transistoren innerhalb der integrierten Schaltung entscheidend für die Funktionstüchtigkeit der Anordnung. So spielt beispielsweise in bipolaren Speicherschaltungen die Schaltzeit der enthaltenen Transistoren eine entscheidende Rolle für die mögliche Arbeitsgeschwindigkeit des gesamten Speichers. Diese Schaltzeit läßt sich nicht mit einer Gleichstrommessung in einer Prüfschaltung korrelieren.

   In der deutschen Offenlegungsschrift 23 49 607 ist ein Verfahren zur Wechselstromprüfung von integrierten Schaltungen beschrieben, bei dem während des Herstellungsprozesses zwischen Einzelelementen der Nutzschaltung durch Herstellung elektrischer Verbindungen eine Prüfschaltung gebildet wird. Sodann werden die entsprechenden Gleichstrom-Betriebspotentiale an die Schaltkreiselemente angelegt und die Laufzeit eines Impulses durch die Prüfschaltung gemessen. Danach müssen natürlich die hergestellten Verbindungen zumindest teilweise wieder unterbrochen werden, da sie ja nicht den Nutzschaltungsverbindungen entsprechen. In der genannten Literaturstelle wird außerdem vorgeschlagen, die Schaltelemente von Nutzkreisen so zu verbinden, daß das Ablegen der Betriebspotentiale eine Eigenschwingung in der entstehenden Schaltung hervorruft, deren Frequenz gemessen wird. Diese soll als Indikation für die Wechselstromgüte der Schaltkreiselemente dienen.

   Das in der deutschen Offenlegungsschrift 2349 607 beschriebene Verfahren ist jedoch für die heute verwendeten hochintegrierten Schaltungen nicht geeignet. Bei diesen ist nämlich eine Separierung der einzelnen Schaltelemente zum Zweck der Prüfung innerhalb des Prozeßverlaufs nur unter sehr großen Schwierigkeiten oder überhaupt nicht mehr möglich.

   Dies liegt zum einen an der gestiegenen Bauelementdichte innerhalb der Schaltung, zum anderen an den verwendeten Prozeßschritten. Eine isolierte Prüfung der Elemente der Nutzschaltung, sei es einzeln oder zu Schaltungen verbunden, kann daher nicht mehr durchgeführt werden.

   Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, auch für solche Schaltungen, bei denen eine Isolation der Einzelelemente nicht mehr möglich ist, eine möglichst einfache Prüfung der Wechselstromparameter der in der Nutzschaltung enthaltenen Elemente durchzuführen. Dies ist - unter der Vosaussetzung, daß eine Prüfung der hergestellten Nutzschaltung aus hier nicht zu erörternden Gründen umgangen werden soll -nur durch Anbringung einer separaten Prüfschaltung auf der Halbleitergroßschaltung möglich. Diese soll den für die Nutzschaltungen zur Verfügung stehenden Bereich auf dem Halbleitergrundkörper möglichst wenig beeinflussen.