DE69426407T2 - Integrierte Schaltung mit Stromüberwachungszellen zum Prüfen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen von integrierten Schaltungen.
• Die Entwicklung von Herstellungsprüfprogrammen für integrierte CMOS- (komplementärer Metall-Oxid- Halbleiter)Schaltungen ist eine zeitaufwendige und teuere Entwicklungsaktivität. Da die Entwurfskomplexität von integrierten CMOS-Schaltungen zunimmt, wird Herstellungsprüfungsentwicklung zu einem grundlegenden Teil des Entwurfszyklus. Derzeit basiert die Mehrzahl von Techniken für Prüfprogrammentwicklung auf der Verwendung von "stuck at fault" (bei Fehler stehenbleiben) -Anordnungen. Das Modell "stuck at fault" ist die Grundlage für Fehlersimulierung, ATPG (automatic test pattern generation, automatische Prüfmustererzeugung), Abtastprüfen, BIST (build-in self test technique, eingebaute Selbstprüftechnik) und einige eingebettete Prüfstrukturen. Das Modell "stuck at fault" hat sich als unzureichend beim Identifizieren der Mehrzahl möglicher Herstellungsmängel herausgestellt.
• Als ein alternativer Ansatz offenbart das US-Patent Nr. 5,097,206 Iddq (statischer oder Ruheleistungsversorgungsstrom)-Prüfung zum Detektieren von Herstellungsfehlern für statische CMOS-Schaltungen. Die Iddq-Prüfung basiert auf Überwachung des Iddq-Ruhestroms. Änderungen im Iddq-Ruhestrom können eine fehlerhafte Schaltung anzeigen. Die aus dem genannten US-Patent bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, zwei Betriebsarten zu verwenden, nämlich normale Betriebsart und Prüfbetriebsart.
• Das Journal of Electronic Testing, Bd. 3, Nr. 4, Dezember 1992, Seiten 111-120 offenbart eine Vorrichtung zum Prüfen hinsichtlich Fehlern in einer integrierten Schaltung, welche eine Vielzahl von Stromüberwachungszellen eingebettet in der integrierten Schaltung zum Detektieren von Fehlern darin umfaßt. Weiter offenbart US-A-5,115,191 ein Abtastsystem, das das Lesen einer Vielzahl von Werten ermöglicht, welche Prüfungen von Signalen in einer integrierten Schaltung repräsentieren.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Prüfen einer integrierten Schaltung zu schaffen, bei der kontinuierliche Prüfung in einer einstellbaren und effizienten Weise während normalem Betrieb durchgeführt werden kann.
• Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den anliegenden Ansprüchen definiert ist, eine Vorrichtung zum Prüfen hinsichtlich Fehlern in einer integrierten Schaltung geschaffen, die eine Vielzahl von Stromüberwachungszellen umfaßt, welche innerhalb der genannten integrierten Schaltung eingebettet und in der Lage sind, Fehler darin zu detektieren, wobei eine Abtastschaltung mit den genannten Stromüberwachungszellen zum Abtasten der genannten Stromüberwachungszellen gekoppelt ist, wobei die genannte integrierte Schaltung Leistungsversorgungsbusse und interne Leistungsbusse umfaßt und die genannten Stromüberwachungszellen Vernetzungen zwischen den genannten Leistungsversorgungsbussen und den genannten internen Leistungsbussen bereitstellt, und dadurch gekennzeichnet ist, daß die genannten Stromüberwachungszellen auch ein Meßschaltsystem, das vorgesehen ist, um den genannten internen Leistungsbussen einen Versorgungsstrom von den genannten Leistungsbussen für Betrieb der integrierten Schaltung während einer Prüfbetriebsart zuzuführen, und um so den genannten Versorgungsstrom unter Aufrechterhaltung eines Versorgungsstroms an die integrierte Schaltung zu überwachen, und ein Umgehungsschaltsystem zum Umgehen des genannten Meßschaltsystems umfassen.
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen nun durch Aufführung eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht einer integrierten Schaltung ist, die eine eingebettete, eingebaute Iddq- Prüffähigkeit umfaßt.
• Fig. 2 ein Schaltbild einer Iddq-Stromüberwachungszelle ist.
• Fig. 3 ein Schaltbild ähnlich Fig. 2 ist, das jedoch eine Iddq-Stromüberwachungszelle zeigt, welche einen Stromteiler umfaßt.
• Fig. 4 ist ein Schaltbild, das eine Vielzahl von Stromüberwachungszellen mit gemeinsamer Strommessung zeigt.
• Nun bezugnehmend auf Fig. 1, ist dort eine integrierte Schaltung 10 mit einer eingebauten Iddq-Prüfschaltung gezeigt. Die Prüfschaltung umfaßt eine Vielzahl von Iddq- Stromüberwachungszellen 12, die sowohl für Energieverteilung als auch Strommessung verwendet werden. Die Zellen 12 sind in der dargestellten Ausführungsform in vertikalen Spalten und horizontalen Reihen angeordnet, wobei interne Leistungsbusse 14 Energie an diese Zellen verteilen. Energie wird den internen Leistungsbussen 14 durch Versorgungsbusse 16 zugeteilt, die in der dargestellten Ausführungsform perpendikular zu den internen Leistungsbussen 14 verlaufen. Standardzellen oder Zellen 18 mit Gatteranordnung zum Durchführen der bestimmten. Funktionen, für die die Schaltung 10 entworfen ist, sind zwischen den Stromüberwachungszellen 12 positioniert, und Energie wird diesen Zellen 18 durch die internen Leistungsbusse 14 zugeführt.
• Es wird erkannt werden, daß eine Iddq-Stromüberwachungszelle 12 an allen oder ausgewählten Gitterverbindungspunkten zwischen den Versorgungsbussen 16 und den internen Bussen 14 sowohl für Energieverteilung als auch Iddq- Stromüberwachung verwendet werden kann. Jede der Iddq- Stromüberwachungszellen 12 kann den Iddq-Strom an einem gewünschten Punkt in der Anordnung prüfen. Die Iddq- Stromüberwachungszellen 12 sind an eine Abtastkette 20 angeschlossen, die zum aufeinanderfolgenden Zugriffnehmen auf die Iddq-Stromprüfungsergebnisse für jede Zelle 12 verwendet wird. Der herausgehende Abtastanschluß einer Zelle 12 ist mit der hineingehenden Abtastposition einer benachbarten Zelle 12 verbunden, und so weiter. Die herausgehenden Abtastanschlüsse enden in der Prüfungssteuerlogik 22, wo die Ergebnisse der Prüfung empfangen und analysiert werden. Bezugsspannungen werden durch die Prüfungssteuerlogik 22 geliefert und werden an die verschiedenen Zellen 12 über leitende Wege 24 angelegt.
• Jede Iddq-Stromüberwachungszelle 12 stellt einen Teil der Energiegitterverteilung dar, die zum Überwachen des Idd- Ruhestroms an verschiedenen Verbindungspunkten in dem Energiegitter der integrierten Schaltung 10 verwendet wird. Jede Zelle 12 verteilt die Energie und überwacht den Strom. Die Zelle 12, wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt drei Hauptbestandteile: einen Stromsensor 26, der den Iddq-Strom in einen Spannungsabfall V (Iddq) konvertiert, welcher eine Funktion des Stroms ist; eine Vergleichseinrichtung 28, die den Spannungsabfall mit einer Bezugsspannung vergleicht; und einen Abtast-Flipflop 30, der zum Abtasten und Zwischenspeichern des Ergebnisses verwendet wird. Der Stromsensor 26 umfaßt einen Transistor, dessen Emitter über einen Leiter 32 und einen Knoten 34 mit der VSS-Versorgung 16 gekoppelt ist, dessen Kollektor über einen Knoten 36 und einen Leiter 38 mit dem internen Leistungsbus 14 gekoppelt ist, und dessen Basis über einen Leiter 40 mit dem Knotenpunkt 36 gekoppelt ist. Der genannte Transistor 26 kann wahlweise während normalem Betrieb aus der Schaltung herausgeschaltet werden, um die mögliche Leistungsauswirkung des Spannungsabfalls in dem Stromsensor zu verhindern, indem eine Umgehungsschaltung 42 betätigt wird, die einen MOS-Transistor 44 aufweist, welcher zwischen dem Knotenpunkt 34 und dem internen Leistungsbus 14 angeschlossen ist und durch Anlegen eines Signals an das Gate des genannten Transistors über eine Umgehungsleitung 46 leitend gemacht werden kann.
• Die Spannungsreferenz VREF in Fig. 2 ist eingestellt, um hinsichtlich des maximalen Iddq-Stroms für eine nicht fehlerhafte Schaltung zu prüfen. Ein höherer Strom als dieser maximale Iddq-Strom zeigt eine fehlerhafte Schaltung an. Die Spannung VREF kann auch zum Messen verschiedener Strompegel variiert werden, die zum Analysieren des Stromflusses innerhalb des Energiegitters verwendet werden können.
• Bei normalem Betrieb konvertiert der Stromsensor den Iddq- Strom auf den V(Iddq)-Spannungspegel, welcher dann an den Plusanschluß der Vergleichseinrichtung 28 angelegt wird, an deren Minusanschluß die Bezugsspannung VREF über eine Leitung 24 angelegt wird. Die beiden Spannungen werden durch die Vergleichseinrichtung 28 verglichen, und wenn der Vergleich das Vorliegen eines Fehlers in der Schaltung anzeigt, wird ein Signal mit geeignetem Pegel an den Datenanschluß D des Abtast-Flipflops 30 angelegt, welches das Flipflop einstellt. Der Zustand des Flipflops wird anschließend durch die Abtastkette 20 über die hereingehende Abtastleitung zu dem Abtastdatenanschluß SD und die herausgehende Abtastleitung zu dem Ausgang Q des Flipflops 30 ermittelt. Wenn sich das Flipflop 30 in einem vorbestimmten seiner beiden möglichen Zustände befindet, zeigt es keinen Fehler in der Schaltung an, wohingegen das Vorliegen eines Fehlers angezeigt wird, wenn es sich in dem anderen Zustand befindet.
• Eine zweite Ausführung der Iddq-Stromüberwachung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Ausführung ähnelt der Ausführung von Fig. 2 insofern, daß sie einen Stromsensor 50, eine Vergleichseinrichtung 52 und ein Abtast-Flipflop 54 umfaßt. Sie unterscheidet sich jedoch darin, daß sie weiter einen Stromteiler 56 umfaßt, der zwei MOS-Transistoren 58 und 60 aufweist. Diese Schaltung minimiert die Auswirkung der Strommessung. Eine Spannung VDD wird an das Gate jedes Transistors 58 und 60 angelegt. Die Source des Transistors 58 ist mit der VSS- Versorgung 16 verbunden, und der Drain ist mit einem Knotenpunkt 62 verbunden, der an den internen Bus 14 angeschlossen ist. Der Drain des Transistors 60 ist durch einen Knoten 64 mit dem Plusanschluß der Vergleichseinrichtung 52 verbunden. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 52 ist wie in der Ausführungsform von Fig. 2 mit dem Dateneingang D des Flipflops 54 verbunden. Der Emitter des Stromsensors 50 ist mit einer Spannungsquelle VSOURCE verbunden, während sein Kollektor über einen Knoten 66 mit dem Knoten 64 verbunden ist, und seine Basis auch mit dem Knoten 66 verbunden ist.
• Wie oben erwähnt, arbeiten die beiden Transistoren 58, 60 als ein Stromteiler, und haben solche Abmessungen bezüglich einander, daß nur ein relativ kleiner Teil des gesamten Stroms für die Prüffunktion verwendet wird. Dies minimiert die Auswirkung der Durchführung der Prüfung auf den normalen fortgesetzten Betrieb der integrierten Schaltung 10. Der Wert W/L ist ein Verhältnis von Breite zu Länge, welches sich auf die Größe des Transistors bezieht. Die relativen Größen der Transistoren sind proportional zu den durch die beiden Transistoren gezogenen Strömen. Der Ausdruck N ist das Verhältnis der relativen Größen der beiden Transistoren. Daher wird erkannt werden, daß die Größe des Transistors 58 das N-fache der Größe des Transistors 60 ist, was bedeutet, daß nur ein kleiner Anteil der gesamten Strommenge durch den Transistor 60 hindurchfließt und beim Durchführen der Prüffunktion verwendet wird. Kraft dieser Anordnung ist der Strom durch den Stromsensor Iddq/(N-1), der Spannungsabfall des Stromsensors ist V(Iddq) und der Strom durch den Transistor 58 ist Iddq*N/(N-1).
• Der Betrieb der Schaltung von Fig. 3 ist im wesentlichen gleich demjenigen von Fig. 2, außer daß nur ein relativ kleiner Anteil des gesamten Stroms zu Vergleichszwecken verwendet wird. Dieser Anteil wird durch den Stromsensor 50 auf den V(Iddq)-Spannungspegel konvertiert, und dieser Spannungspegel wird in der Vergleichseinrichtung 52 mit dem Spannungspegel VREF verglichen, wobei ein das Vergleichsergebnis darstellendes Signal an das Abtast- Flipflop 54 angelegt wird. Der Zustand des Flipflops wird wie vorhergehend beschrieben während einer Abtastoperation über die hereingehenden Abtast- und herausgehenden Abtastleiter abgetastet.
• Eine dritte Ausführung der Iddq-Überwachung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Ausführung wird Vereinfachung durch Bewegung des Stromsensors und der Vergleichseinrichtung zu der Prüfungssteuerlogik erreicht, die von allen wie durch den Block 70 dargestellten Stromüberwachungszellen geteilt werden wird, welcher als in der Prüfungssteuerlogik 22 von Fig. 1 eingeschlossen angesehen werden kann. Fig. 4 zeigt zwei ähnliche Iddq-Stromüberwachungszellen 72 und 74, die in einer einzigen Spalte angeordnet sind, es ist jedoch beabsichtigt, daß eine integrierte Schaltung einfach eine Vielzahl solcher Zellen angeordnet in einer Vielzahl von Reihen und Spalte nähmlich der in Fig. 1 gezeigten Anordnung enthalten könnte. Die Zelle 72 enthält ein Paar MOS-Transistoren 76 und 78 ähnlich den Transistoren 58 und 60 in der Ausführungsform von Fig. 3. Der Transistor 76 ist zwischen der VSS-Versorgung 16 und einem Knoten 80 angeschlossen, während der Transistor 78 zwischen dem Knoten 80 und einem Leiter 82 angeschlossen ist. Der Knoten 80 ist mit dem internen VSS-Bus 14 verbunden, der den Knoten 80 und den Transistoren 76 und 78 Strom Iddq (I, J) zuführt, welcher den Strom in der Zelle darstellt, die in der Spalte I, Reihe J angeordnet ist. Das Gate des Transistors 76 ist mit einer Spannungsquelle VDD verbunden, während das Gate des Transistors 78 mit einer Auswahlleitung 82 verbunden ist, an die ein Auswahlsignal SELECT (I, J) angelegt werden kann.
• Die Zelle 74 ist ähnlich aufgebaut, wobei ein Transistor 86 zwischen der VSS-Versorgung 16 und einem Knoten 90 angeschlossen ist, und ein Transistor 8B zwischen dem Knoten 90 und dem Leiter 82 angeschlossen ist. Der Knoten 90 ist mit dem internen VSS-Bus 14 verbunden. Das Gate des Transistors 86 ist mit einer Spannungsquelle VDD verbunden, während des Gate des Transistors 88 mit einer Auswahlleitung. 92 verbunden ist, an die ein Auswahlsignal SELECT (I, K) angelegt werden kann.
• Der Leiter 82 ist durch einen ersten und zweiten Knoten 94 und 96 mit dem Kollektor eines Stromsensor-Transistors 98 in dem Prüfungslogikblock 70 verbunden. Der Emitter des genannten Transistors ist mit einer Spannungsquelle VSOURCE verbunden und die Basis ist mit dem Knoten 96 verbunden.
• Der Knoten 94, der elektrisch mit dem Kollektor des Stromsensortransistors 98 gekoppelt ist, ist mit dem Pluseingang einer Vergleichseinrichtung 100 verbunden, dessen Minuseingang mit einer Bezugsspannung VREF verbunden ist. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung befindet sich auf einer Leitung 102. Der durch die Prüfungslogik 70 gemessene Strom ist die Summe von Iddq-Strömen geteilt durch (N-1) alle der ausgewählten Zellen.
• Jede Zelle, so wie die Zelle 72, kann individuell befragt werden, indem ein geeignetes Auswahlsignal so wie SELECT (I, J) an den mit dem Gate des Transistors 78 verbundenen Leiter 82 angelegt wird. Wie vorhergehend in Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurde, arbeiten die beiden Transistoren 76 und 78 als ein Spannungsteiler, so daß die integrierte Schaltung, die die Zelle 72 enthält, ihren normalen Betrieb fortsetzen kann, während Prüfung durchgeführt wird. Anlegen des Signals SELECT (I, J) an das Gate des Transistors 78 verursacht, daß ein Signal an den Pluseingang der Vergleichseinrichtung 100 angelegt wird, woraus ein Ausgangssignal auf der Ausgangsleitung 102 mit einem logischen Pegel resultiert, der darstellt, ob ein Fehler in dem durch die Zelle 72 überwachten Teil der integrierten Schaltung vorhanden ist oder nich t vorhanden ist. Das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 100 kann zu Zeitpunkten entnommen worden, die den Anlegungszeiten der verschiedenen Auswahlsignale so wie SELECT (I, J) entsprechen, um zu bestimmen, welche, wenn vorhanden, der Zellen das Vorliegen eines Fehlers anzeigt.
• Es wird erkannt werden, daß die beschriebenen Ausführungsformen für Echtzeitüberwachung von Strom, Stromflußanalyse und die Identifizierung von Fehlern verwendet werden kann.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Prüfen hinsichtlich Fehlern in einer integrierten Schaltung, die eine Vielzahl von Stromüberwachungszellen (12) umfaßt, welche innerhalb der genannten integrierten Schaltung eingebettet und in der Lage sind, Fehler darin zu detektieren, wobei eine Abtastschaltung mit den genannten Stromüberwachungszellen zum Abtasten der genannten Stromüberwachungszellen gekoppelt ist, wobei die genannte integrierte Schaltung Leistungsversorgungsbusse (16) und interne Leistungsbusse (14) umfaßt und die genannten Stromüberwachungszellen (12) Vernetzungen zwischen den genannten Leistungsversorgungsbussen (16) und den genannten internen Leistungsbussen (14) bereitstellen, und dadurch gekennzeichnet ist, daß die genannten Stromüberwachungszellen (12) auch ein Meßschaltsystem (26), das vorgesehen ist, um den genannten internen Leistungsbussen (14) einen Versorgungsstrom von den genannten Leistungsbussen (16) für Betrieb der integrierten Schaltung während einer Prüfbetriebsart zuzuführen, und um so den genannten Versorgungsstrom unter Aufrechterhaltung eines Versorgungsstroms an die integrierte Schaltung zu überwachen, und ein Umgehungsschaltsystem (42) zum Umgehen des genannten Meßschaltsystems (26) umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Meßschaltsystem jeweilige Transistormittel (26) und ein mit den genannten Transistormitteln (26) gekoppeltes Vergleichsschaltsystem (28) zum Vergleichen einer statischen Leistungsspannung mit einer Bezugsspannung umfaßt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Stromüberwachungszellen (12) weiter eine Speichereinrichtung (30, 54) einschließen, die mit dem genannten Vergleichsschaltsystem zum Speichern des Ergebnisses einer Fehlerprüfung gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Stromüberwachungszellen (12) weiter ein Stromteilerschaltsystem (58, 60) zum Teilen des durch die Zelle (12) gezogenen Stroms in Strom, der der integrierten Schaltung zuzuteilen ist, und für Fehlerdetektion zu verwendenden Strom umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Teilerschaltsystem eine Vielzahl vernetzter MOS-Transistoren (58, 60) einschließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Abtastschaltung eine Vielzahl auswählbarer Einrichtungen (78, 88) umfaßt, die eingestellt sind, um ausgewählte Stromüberwachungszellen (12) an gemeinsame Strommeßmittel (98) und Vergleichermittel (100) anzuschließen.