DE2528700C2 - Prüfschaltung für integrierte Halbleiterschaltungen - Google Patents

Description

50

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 19 01665 bekannt, auf verschiedenen Stellen des meist als SuDstrat 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 01 665 sind Prüfschaltungen beschrieben, die mindestens zwei Transistoren enthalten und insgesamt zwei Arten von Schaltungen umfassen. Die eine dient zur Messung elektrischer Kenndaten der Schaltungselemente 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 außeidem 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 23 49 607 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 Bauelemeuidichte 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.

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 Her

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 überprüf* werden sollen. So wird inan 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 71 und 72 und dem Widerstand R. Der NPN-Transistor 72 und der Widerstand R arbeiten als Stromquelle für den eigentlichen aktiven Transistor 71. Der Strom /in jeder Inverterstufe ist also konstant und errechnet sich aus

VN - VS - VBETl R

Es sei angenommen, daß der Transistor 7*1.1 leitend ist Dann liegt die Kollektorspannung VCl des Transistors 7*1.1 eine Sättigungsspannung VSA 7* 7*1.1 (also etwa 100 mV) negativer als GND. Da der Kollektor des Transistors 7*1.1 mit der Basis des Transistors 7*1.2 verbunden ist, ist dieser Transistor Γ1.2 gesperrt. Damit ergibt sich für VC2 eine Spannung:

VCl = GND - VBE T 1.3.

Es fließt nämlich der Kollektorstrom /2 von GND über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Ti3. Daraus ergibt sich, daß der Transistor T 1.3 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 VC 3 wieder um eine Sättigungsspannung unter GND liegt, wird der Transistor 7*1.1 gesperrt. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit mit der der Transistor 7*1.1 abschaltet, wird der Kollektorstrom des Transistors 7*1.1 zu Null. Der Kollektorstrom des Transistors 7*2.1, der konstant ist, wird jetzt den Knoten VCl tiefer ziehen. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Spannung ändert, hängt ab sowohl von der internen Geschwindigkeit des Transistors 7*1.1 als auch von der Größe des Stromes J1 und der Summe der (parasitären) Kapazitäten CCl und CBS 2.

Die interne Schaltgeschwindigkeit des Transistors 71

wird durch interne Kapazitäten, die proportional dem Strom sind, bestimmt Für hohe Ströme /1 überwiegt die interne Kapazität, die konstanten Streukapazitäten können vernachlässigt werden. Hingegen nimmt für kleine Ströme /1 die interne Kapazität so ab, daß die konstanten Streukapazitäten überwiegen. Der Strom /1 läßt sich in weiten Grenzen durch Änderung der Spannung VS variieren. Durch Mehrfachmessung bei verschiedenen Strömen lassen sich die Wechselstrom-Parameter separieren und bestimmen. Das nachfolgende Beispiel ist für kleine Ströme /1 ausgeführt

Vernachlässigt man die Abschaltgeschwindigkeit des Transistors 71.1, so würde die Spannung am Punkt VC1 linear nach der Gleichung

W it

CCi+CBl

absinken. Der Anfangswert war

VCl = GND- VSA 771.1.
Der Endwert ist:

VCl = GND- VBETl.i,

da dann die Spannung auf diesen Wert von dem Transistor 71.2 begrenzt wird.

Mit den nachfolgenden Annahmen:

KS.47 71 = 0,1 V

VBETl = 0,7 V

CC + CB = 1 pF

J = 0,1 mA

ergibt sich eine Umladezeil

CC + CB

(VBE Tl-VSAT Tl)

-'-EL

0,1 ITiA

0,6 V

M = 6 ns

Nach dieser Zeit At wird der Transistor 71.2 eingeschaltet. Damit wird der Transistor 713 ausgeschaltet, was wiederum bewirkt, daß 71.1 leitend wird. Die Ringschaltung schwingt also. Die Schwingfrequenz hängt somit von der Stufenzahl n, die ungerade sein muß, ab. Sie errechnet sich aus:

' n-t-2 ■

Es ist sehr einfach, die Frequenz /zu messen und mit Hilfe obiger Gleichung die Verzögerung At zu berechnen.

Zur Entkopplung des Ausgangssignals des Ringoszillators kann an den Anschluß B (Fig.2) eine Entkopplungsschaltung ausgeschlossen werden, wie sie beispielsweise in F i g. 3 gezeigt ist. Sie besteht aus einer Emitterfolgeschallung aus dem Transistor 73, dem Koppelwiderstand RA 2, der mit dem Anschluß B verbunden ist, und dem Arbeitswiderstand RA 1. Am Ausgang Dkann das Signal abgenommen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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 (Fig. 1) als selbstschwingender Oszillator (Fig.2) ausgebildet ist, und sich in den von Halbleiterschaltungen nicht nutzbaren Bereichen befindet

2. Prüfschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Ringoszillator ausgebildetist

3. Prüfschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die frequenzbestimmenden aktiven Elemente (T 1.1, TlJJ, T13) des Ringoszillators den gleichen Aufbau aufweisen, wie diejenigen Elemente der Halbleiterschaltung, deren Eigenschaften, insbesondere Wechselstrom-Parameter, geprüft werden sollen.

4. Prüfschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Parameter von PNP-Transistoren der Halbleiterschaltung die frequenzbestimmenden aktiven Elemente des Ringoszülators aus PNP-Transistoren bestehen.

5. Prüfschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringoszillator aus π = 2m-1 Stufen besteht worin m die natürlichen Zahlen bedeuten.

6. Prüfschaltung nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet daß jede der Stufen (F i g. 1) aus der Reihenschaltung eines PNP-Transistors (7Ί), eines NPN-Transistors (Γ2) 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. Prüfschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entkopplung des Ausgangssignals eine über einen Widerstand (RA2) angeschlossene Emitterfolgestufe (F i g. 3) vorgesehen ist