JP2004184417A - チップの許容度を評価して歩留まりを向上させるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速チップの歩留まりを向上させること。
【解決手段】
本発明は、チップによって引き出される電力を測定するステップ１０５と、測定されたチップによって引き出される電力を用いて試験周波数を計算するステップ１０６と、計算された試験周波数でチップの性能を判定するステップ１０９とから成るチップの試験方法１００を含む。また、本発明は、チップによって引き出される電力を測定するための第１のセンサー２０９と、測定されたチップによって引き出される電力を用いて試験周波数を計算するための制御装置２０４と、計算された試験周波数でのチップの速度を測定するための第２のセンサー２０９とから成る試験システム２００も含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は概して電子回路チップの試験に関し、詳しくは電子回路チップの性能の予測に関する。

一般に、製造される電子回路、デバイス、及び、半導体製品（「チップ」と総称される）は、指定のパラメタ値の範囲内で動作するか否か、販売前に評価される。具体的には、チップは最も厳しい動作パラメタ値を用いて試験されるのが一般的であり、周波数、電圧、温度などのパラメタ値は、チップの種類すなわちチップモデルに関する特定の設計について指定される。ドーピングや導体のライン幅などにおける不可避的な製造上の変動により、チップの動作速度範囲は、そのチップモデルについて指定された値を下回ることも、指定された値になることも、上回ることもある。そのような状況が生じる結果、いわゆるビン内でも、試験後のチップを例えばそれらが速い動作速度を有するものとして判定されたか、遅い動作速度を有するものとして判定されたかに応じて特徴付ける必要が生じる。高速チップはより優れた性能を購入者に提供するので、いわゆる低速チップよりも高価格で販売することができる。

チップの試験は、試験対象のチップモデルに関する試験パラメタなどの予め決められた値を用いて行なわれている。これらの入力試験パラメタ値は、チップにストレス試験を施して、それらのチップがそのチップモデルの指定されたパラメタ値で動作するか否かを判定するように選択されている。そのような試験用パラメタには、周波数、電圧、及び、温度の値が含まれる。従って、各チップの試験は、試験対象の特定のチップに固有のものである場合がある固有の動作特性を調節することなく、そのチップモデルについて決められた試験パラメタ値の集合を用いて行なわれている。

本発明の目的の１つは、各チップの試験周波数をチップ固有の消費電力に応じて変更することにより、高速チップの歩留まりを向上させることである。

本発明の一実施形態は、チップによって引き出される電力を測定するステップと、測定されたチップによって引き出される電力を用いて試験周波数を計算するステップと、計算された試験周波数でチップの性能を判定するステップとから成るチップの試験方法を含む。

本発明の他の実施形態は、チップによって引き出される電力を測定するための第１のセンサと、測定されたチップによって引き出される電力を用いて試験周波数を計算するためのコントローラと、計算された試験周波数でチップの速度を測定するための第２のセンサとから成るチップの試験システムを含む。

図１は、本発明の一実施形態によるフロー図を示すものであり、電子回路、デバイス、及び、半導体製品が指定の性能レベルで動作するか否かを判定するための試験システムの処理を示している。本発明は、プロセッサを含む集積回路チップなどの回路の試験に適用することができる。試験対象のチップは、チップ回路（図示せず）と電気接続するための隣接パッドを備えた、半導体材料ウェーハ（ダイとも呼ばれる）上に個別に形成された複数のチップのうちの１以上とすることができる。また、試験対象のチップは、電気接続（図示せず）を形成するための、パッケージから延びるピンまたはパッケージ上の接点を備えた、個別にパッケージングされたチップでもよい。複数のチップまたはダイが半導体ウェーハ上に配置される場合、試験システムは、既知のチャックまたは他の装置を用いて半導体ウェーハを固定することができる。それらのチャックまたは他の固定装置に関連し、個々のチップに対してパッド（図示せず）を用いて電気接続するための接点が存在する。個別にパッケージングされたチップを試験する場合、試験システムは、既知のソケット（図示せず）を用いてパッケージングされたチップを取り付け、電気接続を形成することができる。

図１に示すように、本発明の図示の実施形態は、試験システムと試験対象のチップとを電気接続することから始まる（ブロック１０１）。これらの接続は、自動で行なっても手動で行なってもよい。

チップを電気接続した状態で、次に、チップの温度を所定の試験温度まで上昇または下降させる（ブロック１０２）。この所定の試験温度は、チップ購入者の用途での使用に関する最高（又は最低）速度のチップ仕様温度に設定されることが多い。多くの場合、それらの試験温度は摂氏７０〜９０度（℃）の範囲内にされる。

試験対象チップの電気的な短絡／導通検査を実施し、試験システムとチップの電気的導通が有効であるか否か、及び、短絡しているパッドが無いかを判定する（ブロック１０３）。通常は、チップに対する全ての接続が閉じていて、開いていない。静電放電保護装置などの回路には通常、チップの非機能回路要素に対する接続が施される。従って、試験システムは、全チップ接続に対して損傷を与えない電圧を印加して、予測される電流が引き出されるか否かを判定することができる。短絡または導通不良といった重大な製造上の欠陥を有するチップを排除した後、次いで短絡や導通不良のないチップを起動させる（ブロック１０４）。

試験システムは通常、チップの起動時に、チップに対して指定の起動電圧を供給するだけでなく、チップにリセット信号及びクロック周波数も供給する。リセット信号は複数のノードを有するチップに供給されることが多い。その理由は、そのようなチップをリセット信号なしで起動すると、それらのチップがランダムに初期化され、競合経路に電力が供給されてしまうことがあるからである。そのため、チップに損傷を及ぼす可能性がある。リセット信号は、チップ起動時にチップが適切に初期化されるように印加しなければならない。リセット信号を印加しても適切に初期化されないことが分ったチップは排除される。

起動及びリセットの後、被測定チップによって引き出される電力量を測定する（ブロック１０５）。多くのプロセッサ・チップは通常、動作に５０〜６０ワットを必要とする。ここでも、製造上の欠陥があると、チップは指定量を大幅に超えて過剰な電力を引き出す可能性がある。チップがチップ購入者の用途に合わせて指定された電源により供給可能な供給量を超えて電力を引き出してしまう可能性がある場合、そのような大電力消費のチップは排除することができる。

試験対象のチップによって引き出される電力量を測定し、その電力量を用いてその特定チップに対する特定の試験周波数を計算する（ブロック１０６）。多くの場合、この試験周波数の計算値は、指定されたチップモデルの動作周波数と等しくならない。試験周波数が指定された動作周波数と等しくならないことが多いことの第１の理由は、試験者の用途とチップ購入者の用途との間で電気的環境が異なるからである。また、チップは迅速に試験する必要があり、それにもかかわらずチップ購入者の用途で何年にもわたって有効に動作することができなければならない。さらに、試験周波数と動作周波数の相違は、他にも理由がある。それらの理由としては、生産されるチップ間における避けることのできない注入のばらつきやライン幅のばらつき等、製造上のばらつきに起因した動作特性の違いが挙げられる。チップ間のばらつきの影響は、一般に、動作周波数（速度）や引き出される電力量の違いに反映される。

本発明は、各チップについての引き出される電力量を、そのチップモデルについて判定された他の動作パラメタ値と共に用いて、その試験対象のチップに固有の試験周波数を計算することにより、避けることのできないチップ動作のばらつきに対処する。個々に引き出される電力量以外のそれらの動作パラメタ値は、そのチップモデルについて判定され、例えば各パラメタについて複数の測定値が判定される。試験システムで行なうこの計算は、次のような式（１）を用いてチップの試験周波数（Ｆ_t）を判定することが好ましい：
Ｆ_t＝（Ｆ_s・Ｍ＋Ｂ）＋（［Ｔ_s−（Ｔ_ja・（Ｐ_wt−Ｐ_m））−Ｔ_t］・ＦＴＳ 式（１）
ただし、Ｆ_sはチップモデルの指定動作周波数、
Ｍは、そのチップモデルの試験システムデータと指定動作周波数との間の相関の傾き、
Ｂは、そのチップモデルの試験システムデータの指定動作周波数に対するオフセット、
Ｔ_sは、最悪電力条件での接合部温度であり、最悪の流入空気温度かつ最悪の熱抵抗の状態において例えば必要な品質を保証するようにスケーリングされた値である。熱抵抗は、チップモデルが消費する電力１ワット当たりの、流入空気温度と接合部温度との間の温度上昇である。
また、Ｔ_jaは、そのチップモデルの熱抵抗、
Ｐ_wtは、モデルの最悪のチップによって引き出される電力（ここでも、必要な品質を保証するため、最悪条件が選択される）、
Ｐ_mは、試験対象チップに対して引き出される電力の試験システムによる測定値（ブロック１０５）、
Ｔ_tは、試験対象チップの接合部温度であり、
ＦＴＳは、そのチップモデルに関する温度の関数として表わされた最高指定動作周波数の勾配である。

具体例として、ヒューレット・パッカード社のモデルＰＡ−８７００プロセッサ・チップに関するパラメタ値は、下記のようになる場合がある：
Ｆ_s＝７５０メガヘルツ（ＭＨｚ）、
Ｍ＝０．９７７７、
Ｂ＝１３．５ＭＨｚ
Ｔ_s＝９０℃、
Ｔ_ja＝０．８℃／ワット、
Ｐ_wt＝５０ワット、
Ｐ_m＝３８ワット。この計算例の場合、Ｐ_mは５０ワットのＰ_wtとこのチップモデルの低電力レベルである２７ワットとの平均として選択されている。
Ｔ_ｔ＝７０℃、
ＦＴＳ＝１．８１ＭＨｚ／℃

この例の場合、チップ購入者の用途において７５０ＭＨｚで動作しなければならないチップに対して試験システムのブロック１０６で計算される試験周波数は、７６５．０７ＭＨｚになる。この７６５．０７ＭＨｚは、３８ワットの電力を引き出すチップに関して試験周波数として従来用いられている値よりも低い。

本発明前は、試験周波数がチップモデルに関する動作パラメタ値を用いて計算されていて、試験対象の何らかの特定チップに関する動作パラメタ値を用いて計算されることはなかった。各試験対象チップに対して引き出される電力を個別に測定し、試験周波数を計算するということは、行なわれていなかった。従来の試験周波数は、次のような式（２）を用いて計算されていた：
Ｆ_t＝（Ｆ_s・Ｍ＋Ｂ）＋（Ｔ_s−Ｔ_t）・ＦＴＳ 式（２）

上記の例の場合、式（２）を用いて計算される試験周波数は７８２．４５ＭＨｚになり、この値は式（１）を用いて計算された試験周波数よりも１７．３８ＭＨｚ高い。

試験システムを用いた本発明は、結果として低い試験周波数で試験されるチップ（最悪の大電力値またはそれに近い値で動作するチップを除く）の数が増加することになるが、それでも試験に合格したチップは前もって指定された動作周波数で有効に動作するくらい十分高速であることが保証される。例えば、あるチップに関する熱抵抗（Ｔ_ja）と、最悪の電力（Ｐ_wt）と測定電力（Ｐ_m）との差が一斉に増大すると、本発明を用いて計算されるチップの試験周波数は、低下することになる。本発明によって試験周波数が低下しないのは、最悪の大電力値またはそれに近い値の電力を引き出すチップの場合だけである。

使用する試験周波数の値を低下させることができるということは、より多数のチップを、チップ購入者の用途において指定のパラメタ値で動作可能なものとして識別することが可能になるということを意味する。さらに、このことは、試験において、修正された値の範囲内に存在するくらい十分高速なものとみなされるチップの割合を維持しつつ、チップ購入者の用途に対して従来指定されていた動作パラメタ値を増大させることも可能であることを意味している。

チップ速度経路上に障害があると、チップの最高動作周波数を超えてしまう可能性がある。本発明では、下記を含む計算により、この状況も考慮する：
ｉ）チップ購入者の用途での周囲温度と接合部温度との間の温度上昇の判定、
ｉｉ）試験対象のチップのチップモデルについて指定された引き出される電力の測定値と、実際に引き出される電力の測定値との間の相関関係。
これらの結果は、次に、温度の関数として表わされたチップの最高動作周波数の勾配と組み合わせられる。

もう一度図１を参照すると、次に、チップがチップモデルについて指定された動作パラメタ値の集合について正しく機能することを確認するため、試験システムにより、一連の周波数値及び電圧値、すなわち試験点を用いて、チップの試験を実施する（ブロック１０７）。試験点は、周波数及び電圧について、低から高、または、高から低に及ぶ。試験システムは、式（１）を用いて計算された試験周波数だけでなく、この電圧及び周波数の範囲も使用して、試験対象のチップが指定の動作範囲全体にわたって適切に動作することを確認する。試験結果は試験対象のチップに関するデータベースにログ記録され（ブロック１０８）、チップは測定された試験結果に応じて例えば高速なもの又は低速なものとしてビンに、あるいは他の何らかの性能レベルに分類される（ブロック１０９）。

図２は、本発明の試験ハードウェアの一実施形態を示すブロック図である。チップ２０１は試験対象のチップであり、これは個別にパッケージングされたチップでもよいし、半導体ウェーハ上の選択されたチップまたはダイでもよい。チップ２０１は、手動または自動で、電気接続と熱接続の両方を用いて装置２０２上に配置し、チップ２０１に対して双方向に電気信号および熱エネルギーを供給できるようにする。さらに、装置２０２は、パッケージングされたチップに対して接続するためのソケット（図示せず）や、チップやダイを半導体ウェーハ（図示せず）上に固定してそれらに接続するためのチャックまたは他の種類ホルダを含むことができ、チップ２０１を予め選択された温度にして維持するために用いられる温度制御装置を含む。装置２０２の温度制御装置の動作を管理し、チップ２０１の温度を識別するための信号が、ライン２０３を用いて制御装置２０４に対して双方向に伝達される。制御装置２０４としては、例えばヒューレット・パッカード社のモデルＨＰ Ｃ３６００を用いることができる。制御装置２０４には、表示装置２０５と、キーボードやマウスの組合せを含むことが可能な入力装置２０６とが接続される。制御装置２０４は、プログラマブル電源２０７に動作を指示するだけでなく、チップ２０１によって引き出される電力の測定にも使用される。プログラマブル電源２０７は、予め選択された電力値をチップ２０１に供給するのに使用される他、チップ２０１の導通／短絡を試験するのに使用される電力値も有している。引き出される電力の測定値は、ライン２０８を介してプログラマブル電源２０７から制御装置２０４へ供給される。制御装置２０４に入力されたそれらの引き出された電力の測定値とチップモデルに関するパラメタ値は式（１）に適用され、試験周波数（Ｆ_t）が計算される。制御装置２０４は、刺激／応答測定電子回路２０９に動作を指令して、試験周波数（Ｆ_t）と共に一連の予め選択された周波数を試験チップ２０１に供給させ、指定されたチップモデルのパラメタ値の範囲にわたる試験チップ２０１の推定性能を判定する。さらに、制御装置２０４は、刺激／応答測定電子回路２０９に指令して、チップ２０１に一連のディジタル入力またはアナログ入力を供給させる。制御装置２０４は、刺激／応答測定電子回路２０９に対するそれらの入力に関連して、プログラマブル電源２０７にも指令を出し、試験電圧をチップ２０１に供給させる。刺激／応答測定電子回路２０９は、供給した刺激周波数及び刺激電圧に対するチップ２０１の応答をプログラマブル受信機を用いて測定し、チップ２０１の性能の測定結果をライン２１０を用いて制御装置２０４に供給することができる。チップ２０１に関して測定された応答はライン２１０を用いて制御装置２０４に供給され、制御装置２０４によって記憶装置に格納することができ、その後それを比較器に供給することで、格納された測定された速度に従ってチップが特徴付けられる。

本試験システムを使用した結果を図３に示す。この図は、ヒューレット・パッカード社のモデルＰＡ−８７００プロセッサ・チップに関する試験結果を示すものであり、固定電圧及び周波数でチップによって引き出される電力と、判定された最大動作周波数との関係を示している。この場合、「高速チップ」に対する従来の低カットオフ周波数は８７４ＭＨｚに設定されていた。式（１）を用いた試験システムを用いると、引き出される電力が最悪の大電力値４０ワット未満である３９ワット未満のとき、「高速チップ」に対するこの低カットオフ周波数が８７４Ｍｈｚ未満にシフトされる。このシフトされて低下したカットオフ周波数を図３にライン３０１で示す。図３に示すデータでは、従来の試験方式を用いた「高速チップ」のチップ歩留まりが７２％であるのに対し、本発明の試験システムを用いた「高速チップ」のチップの歩留まりは７９％になっており、指定された同じ動作パラメタ値に対してチップの歩留まりが７パーセント上昇している。

本発明の一実施形態によるチップ試験システム及び方法を示すフロー図である。 本発明の一実施形態によるハードウェア・チップ試験システムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態による試験対象のチップに関する周波数（速度）と電力のデータを示すグラフである。

符号の説明

２００ 試験システム
２０４ 制御装置
２０９ 刺激／応答測定電子回路

Claims (10)

1. チップを試験するための方法(100)であって、
   チップによって引き出される電力を測定するステップ(105)と、
   測定された前記チップによって引き出される電力を用いて試験周波数を計算するステップ(106)と、
   計算された前記試験周波数での前記チップの性能を判定するステップ(109)と、
   からなる方法。
2. 電圧および周波数の範囲にわたって前記チップを試験するステップ(107)と、
   前記試験の試験結果に従って前記チップを特徴付けるステップ(109)と、
   をさらに含む、請求項１の方法。
3. 前記試験周波数を計算するステップ(106)が、
   前記チップが動作しなければならない周波数（Ｆ_s）を判定するステップと、
   試験対象の前記チップのチップモデルに関する試験データと、該チップモデルに関する動作周波数との間の相関の勾配を判定するステップと、
   前記チップモデルに関する試験データと、指定された動作周波数との間のオフセット（Ｂ）を判定するステップと、
   チップモデル接合部温度（Ｔ_s）を判定するステップと、
   前記チップの接合部温度（Ｔ_t）を判定するステップと、
   最大動作周波数の勾配（ＦＴＳ）を前記チップモデルに関する温度の関数として判定するステップと、
   を含む、請求項１の方法。
4. 前記試験周波数を計算するステップ(106)が、
   前記チップモデルに関する熱抵抗（Ｔ_ja）を判定するステップと、
   前記チップモデルの最悪のチップによって引き出される電力(P_wt)を判定するステップと、
   前記チップによって引き出される電力（Ｐ_m）を測定するステップと、
   をさらに含む、請求項３の方法。
5. 前記試験周波数を計算するステップ(106)が、
   （Ｆ_s・Ｍ＋Ｂ）＋（［Ｔ_s−（Ｔ_ja・（Ｐ_wt−Ｐ_m））−Ｔ_t］・ＦＴＳ
   に従って計算を実施するステップをさらに含む、請求項４の方法。
6. 前記チップモデル接合部温度（Ｔ_s）が、最悪の流入空気温度且つ最悪の熱抵抗であるときの最悪電力条件についての温度である、請求項３の方法。
7. 前記チップを所定の温度にするステップ(102)をさらに含む、請求項１の方法。
8. 前記チップの接続の短絡および導通を検査するステップ(103)をさらに含む、請求項１の方法。
9. 電圧および周波数の範囲にわたって前記チップを試験するステップ(107)と、
   試験結果データをデータベースに入れるステップ(108)と、
   試験結果に従って前記チップを特徴付けるステップ(109)と、
   をさらに含む、請求項１の方法。
10. チップを試験するためのシステム(200)であって、
    チップによって引き出される電力を測定するための第１のセンサー(209)と、
    測定された前記チップによって引き出される電力を用いて試験周波数を計算するための制御手段(204)と、
    計算された前記試験周波数での前記チップの速度を測定するための第２のセンサー(209)と、
    からなるシステム。
    

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