JP2008010655A - Circuit for measuring lots of semiconductor elements - Google Patents
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Description
本発明は、サブミクロンプロセスによって形成される半導体素子を多量測定するために用いられる多量測定回路に関する。 The present invention relates to a mass measurement circuit used for mass measurement of semiconductor elements formed by a submicron process.
携帯電話等に用いられる無線回路用のIC(RFIC)には、設計・試作期間の短縮が求められている。従来、無線回路は、小規模のICやモジュールで構成されてきた。そのため、設計値の異なる複数種類のICを作成し、最も特性のよいものを商品としてきた。ところが近年、無線回路は、1チップへ集積されるようになったため、従来の手法では完成までに数年が必要となっている。 ICs for radio circuits (RFICs) used for mobile phones and the like are required to shorten the design / trial period. Conventionally, wireless circuits have been configured with small-scale ICs and modules. For this reason, a plurality of types of ICs having different design values have been created, and products having the best characteristics have been used as products. However, in recent years, wireless circuits have been integrated on a single chip, so that the conventional method requires several years to complete.
そこで、シミュレータ(EDA)を活用したRFICの設計環境確立が、EDAベンダーを中心に盛んに行われている。試作を繰り返さないためには、IC内の各半導体素子の高精度モデルが必要となる。ここで言う高精度モデルとは、高周波特性を表現できる等価回路と、半導体素子のばらつきを表現できる係数を持ったモデルのことである。特に、ばらつきは、モデルと設計手法との両方を検討する必要がある。 Therefore, the establishment of an RFIC design environment utilizing a simulator (EDA) has been actively performed mainly by EDA vendors. In order not to repeat the trial production, a high-accuracy model of each semiconductor element in the IC is required. The high-accuracy model referred to here is a model having an equivalent circuit that can express high-frequency characteristics and a coefficient that can express variations in semiconductor elements. In particular, the variation needs to consider both the model and the design method.
従来のRFICの回路設計では、まず、回路の各半導体素子が全て最悪値にばらついた場合の特性を求め、その後、この求めた特性がスペックを満足するように回路定数を変更していた。これをコーナー解析と呼ぶ。しかしながら、RFICのようなアナログ回路では、数多くのパラメータがその特性に影響する。そのため、回路の全ての半導体素子のばらつきが最悪値になる確率は現実的にはゼロに近く、コーナー解析によって完成したRFICはオーバスペックとなる。このオーバスペックを解消するために、従来では、試作・評価の後に電流を減らす設計を行い、再試作を行う必要があった。 In conventional RFIC circuit design, first, the characteristics when all the semiconductor elements of the circuit vary to the worst values are obtained, and then the circuit constants are changed so that the obtained characteristics satisfy the specifications. This is called corner analysis. However, in an analog circuit such as RFIC, a number of parameters affect its characteristics. For this reason, the probability that the variation of all the semiconductor elements in the circuit becomes the worst value is practically close to zero, and the RFIC completed by the corner analysis becomes overspec. In order to eliminate this over-spec, it has been necessary in the past to carry out a design that reduces the current after prototyping / evaluation, and to perform prototyping again.
これに対して、実際のRFICのばらつき分布に近い結果が得られる解析方法が提案されている。これを統計解析と呼ぶ。この統計解析は、プリンシプルファクタと呼ばれる互いにばらつきが独立な変数を用いた統計モデルを利用して、設計が行われる。プリンシプルファクタは、それぞれゲート酸化膜厚、ゲート幅、及びゲート長等のばらつきを表現している。 On the other hand, an analysis method has been proposed in which a result close to the actual RFIC variation distribution is obtained. This is called statistical analysis. This statistical analysis is designed using a statistical model called a principal factor that uses variables that are independent of each other. The principal factor expresses variations in gate oxide film thickness, gate width, gate length, and the like.
この統計モデルを作成するためには、IC内の半導体素子のばらつき要因を考慮した測定が重要となる。IC内のばらつき要因には、隣接する半導体素子の間隔という早い周期で特性がランダムに変化するローカル(ランダム)ばらつき、Dieの端から端までという中間の周期で変化するレイアウト依存ばらつき、及びウェハの端から端までというゆっくりとした周期で変化するグローバルばらつきがある。図4は、このIC内の半導体素子が有する3つのばらつきを説明する図である。 In order to create this statistical model, it is important to take into account the variation factors of the semiconductor elements in the IC. The variation factors in the IC include local (random) variation in which characteristics change randomly at an early cycle of an interval between adjacent semiconductor elements, layout-dependent variation that changes in an intermediate cycle from end to end of Die, and wafer variation. There is a global variation that changes with a slow period from end to end. FIG. 4 is a diagram for explaining three variations of the semiconductor elements in the IC.
図4の(a)は、ローカルばらつきを示している。ローカルばらつきは、電界効果トランジスタ(FET)のゲート酸化膜の欠陥等に起因した、半導体素子間のばらつきである。このローカルばらつきは、周辺のレイアウトやウェハ内の半導体素子の配置に依存せずに発生する。そのため、隣接する半導体素子同士であっても異なる電流値、抵抗値、及び容量値を持つ。このローカルばらつきがミスマッチの要因となる。 FIG. 4A shows local variations. Local variation is variation between semiconductor elements due to a defect in a gate oxide film of a field effect transistor (FET). This local variation occurs without depending on the peripheral layout or the arrangement of semiconductor elements in the wafer. Therefore, even adjacent semiconductor elements have different current values, resistance values, and capacitance values. This local variation causes a mismatch.
図4の(b)は、レイアウト依存ばらつきを示している。IC内の半導体素子は、周辺のメタルやポリシリコンの疎密により特性が変化する。ICのウェハは、同じレイアウトのDieを敷き詰めた構成であるため、レイアウト依存ばらつきは、Die毎に繰り返される特性を持つ。 FIG. 4B shows layout dependent variations. The characteristics of the semiconductor elements in the IC change due to the density of surrounding metal and polysilicon. Since the IC wafer has a configuration in which Dies having the same layout are spread, the layout-dependent variation has a characteristic of being repeated for each Die.
図4の(c)は、ウェハの一方端から他方端へと徐々に変化するグローバルばらつきを示している。また、異なるロット間のばらつきもこの中に含まれる。このグローバルのばらつきは、ウェハの端と中央又はロット間で、酸化膜の膜厚やポリシリコンの濃度が異なることで発生する。このばらつきの要因は、ウェハの端と中央又はロット間で拡散温度等の条件が微妙に異なることにある。 FIG. 4C shows the global variation that gradually changes from one end of the wafer to the other end. Also included are variations between different lots. This global variation is caused by the difference in the thickness of the oxide film and the concentration of polysilicon between the wafer edge and the center or lot. The cause of this variation is that conditions such as the diffusion temperature are slightly different between the edge of the wafer and the center or lot.
一般に、ばらつきは、回路ブロック内の半導体素子間のばらつきであるローカルばらつきと、回路ブロック内の半導体素子については全て同じとなるシステマティックばらつき(レイアウト依存ばらつき及びグローバルばらつき)とに分けてモデル化される。 In general, variation is modeled by dividing it into local variation, which is variation between semiconductor elements in a circuit block, and systematic variation (layout dependent variation and global variation) that is the same for all semiconductor elements in a circuit block. .
従来は、ローカルばらつきの測定回路について検討がなされてきた。なぜならば、近接した2つの半導体素子を個別でプロービングする測定方法は、プローブの接触抵抗のばらつきが誤差要因になったからである。この課題の解決には、1回のプローブ操作で複数の半導体素子を測定できることである。また、この構成により測定時間が短縮でき、非常に多くの数の半導体素子を内蔵できる。 Conventionally, a measurement circuit for local variation has been studied. This is because, in the measurement method in which two adjacent semiconductor elements are individually probed, variation in the contact resistance of the probe becomes an error factor. The solution to this problem is that a plurality of semiconductor elements can be measured by a single probe operation. In addition, this configuration can shorten the measurement time and can incorporate a very large number of semiconductor elements.
図5は、非特許文献1に記載されている従来のばらつき評価回路の構成を示す図である。図5の従来のばらつき評価回路では、1種類の半導体素子が1つのDieの同じ位置に集中して配置される。そのため、全半導体素子の平均と各半導体素子の差との分布により、ミスマッチはわかる。また、複数のDie測定を行い、1つのDie毎の平均ばらつきにより、グローバルばらつきもわかる。
しかしながら、レイアウト依存ばらつきはわからない。なぜならば、図6に示すように1つの半導体素子がDieの同じ位置にあり、常に同じレイアウト依存ばらつきしか測定できないためである。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional variation evaluation circuit described in Non-Patent
However, the layout dependent variation is not known. This is because, as shown in FIG. 6, one semiconductor element is at the same position in Die, and only the same layout-dependent variation can always be measured.
図7は、特許文献1に記載されている従来の半導体素子の多量測定回路の構成を示す図である。図7の従来の多量測定回路は、16×16のMAU(Measurement Array Unit)と呼ばれるブロックから構成される。このMAUの周りにデコーダが設置され、MAUの中の1つの半導体素子が選択される。256個のMAU及びデコーダは、1つのDieに内蔵される。1つのMAUの中には、複数種類のトランジスタが1ペアずつ、受動素子が1個ずつ配置される。よって、この従来の多量測定回路では、1つの半導体素子がDie全体に分散して配置されるので、異なるレイアウト依存ばらつきを持つ半導体素子を評価できる。
しかしながら、上記従来の多量測定回路では、それぞれの位置で1ペアのトランジスタしかない。このため、ミスマッチがレイアウト依存ばらつきに比べて十分小さければ、平滑化を行うことによりレイアウト依存ばらつきが測定できるが(図8の(a))、サブミクロンプロセスのようにローカルばらつきが大きい場合は、平滑化をうまく行うことができず、ローカルばらつきとレイアウト依存ばらつきとを分離することができない(図8の(b))という課題がある。 However, the conventional mass measurement circuit has only one pair of transistors at each position. For this reason, if the mismatch is sufficiently small compared to the layout-dependent variation, the layout-dependent variation can be measured by performing smoothing ((a) of FIG. 8), but if the local variation is large as in the submicron process, There is a problem that smoothing cannot be performed well and local variations and layout-dependent variations cannot be separated ((b) in FIG. 8).
また、サブミクロンプロセスにおいて、ある半導体素子のある特性が大きいときはローカルばらつきが大きく、ある特性が小さいときはローカルばらつきが小さいといった依存性がある場合、上記従来の多量測定回路では、両者の相関関係を測定することができないという課題がある。 Also, in the sub-micron process, when there is a dependency that a certain characteristic of a semiconductor element is large, local variation is large, and when a certain characteristic is small, local variation is small, the above-mentioned conventional mass measurement circuit has a correlation between the two. There is a problem that the relationship cannot be measured.
それ故に、本発明の目的は、ローカルばらつきが大きくなるサブミクロンプロセスを用いる場合でも、各ばらつきのパラメータを精度よく測定して高精度モデルを確立することができる多量測定回路を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a mass measurement circuit that can accurately measure parameters of each variation and establish a high-accuracy model even when using a submicron process in which local variations become large. .
本発明は、半導体素子を多量測定するために用いられる多量測定回路に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の多量測定回路は、少なくとも1種類の複数ペアの半導体素子が、所定のサイズ及び配置で形成された小アレイ、この小アレイを格子状に複数配置して構成されるユニット、及びこのユニットを格子状に複数配置して構成される大アレイと、半導体素子の測定項目に応じていずれか1つの半導体素子を選択する制御回路とが形成される。 The present invention is directed to a mass measurement circuit used for mass measurement of semiconductor elements. In order to achieve the above object, the mass measurement circuit of the present invention includes a small array in which at least one type of a plurality of pairs of semiconductor elements is formed in a predetermined size and arrangement, and a plurality of such small arrays are arranged in a grid pattern. And a large array configured by arranging a plurality of the units in a lattice shape, and a control circuit for selecting any one semiconductor element according to a measurement item of the semiconductor element.
典型的な半導体素子は、金属酸化物電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、抵抗、又は容量のいずれかである。
また、好ましくは、制御回路で選択されない疎密が異なる複数のダミー半導体素子がさらに形成される。
Typical semiconductor devices are either metal oxide field effect transistors, bipolar transistors, resistors, or capacitors.
Preferably, a plurality of dummy semiconductor elements having different densities that are not selected by the control circuit are further formed.
上記本発明によれば、ローカルばらつきが大きくなるサブミクロンプロセスを用いる場合でも、各ばらつきのパラメータを精度よく測定して高精度モデルを確立することができる多量測定が可能となる。 According to the present invention, even when a sub-micron process in which local variations are large is used, it is possible to perform a large amount of measurement that can accurately measure parameters of each variation and establish a high-accuracy model.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の多量測定回路1の構成を示す図である。この第1の実施形態に係る多量測定回路1は、以下の構成を採用していることに特徴がある。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device
10ペア〜20ペアの半導体素子をそれぞれ所定のサイズ及び配置で形成して、1つの小アレイ10を構成する。この小アレイ10を格子状に複数配置して、1つのユニット20を構成する。そして、このユニット20をさらに格子状に複数配置して、大アレイ30を構成する。複数の小アレイ10に含まれる各半導体素子は、制御回路(デコーダ)40で制御されるスイッチに接続されている。制御回路40は、大アレイ30のいずれか2辺に配置されている。そして、大アレイ30及び制御回路40の外側に複数のパッド50が配置されて、多量測定回路1が構成される。
10 pairs to 20 pairs of semiconductor elements are respectively formed in a predetermined size and arrangement to constitute one
制御回路40は、パッド50から指示入力される測定項目(DC特性や容量値)に応じた信号に従って、いずれか1つの半導体素子を選択する(半導体素子のスイッチをオンする)。また、パッド50からDC電圧やクロックが供給されたり、半導体素子のアナログ特性が測定されたりする。
小アレイ10に形成される半導体素子には、金属酸化物電界効果トランジスタ(MOSFET)、バイポーラトランジスタ(BJT)、ポリシリコン抵抗、MOS容量、及び金属−絶縁物−金属容量(MIM容量)等がある。
The
Semiconductor elements formed in the
以上の構成を用いれば、図2に示すように、まず、複数の小アレイ10に含まれる複数の半導体素子の抽出結果を平均することでローカルばらつきを低減できる。また、複数の小アレイ10の平均をとることで、レイアウト依存ばらつきの影響を小さくすることができる。さらに、ユニット20の平均をとることで、グローバルばらつきの影響も小さくすることができる。
よって、サブミクロンプロセスに用いる高精度モデルを確立するための、各ばらつきパラメータの多量測定が可能となる。
If the above configuration is used, as shown in FIG. 2, first, local variations can be reduced by averaging the extraction results of a plurality of semiconductor elements included in the plurality of
Therefore, it is possible to measure a large amount of each variation parameter in order to establish a high-accuracy model used for the submicron process.
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体素子の多量測定回路2の構成を示す図である。この第2の実施形態に係る多量測定回路2は、上述した第1の実施形態に係る多量測定回路1の構成に、以下の構成をさらに採用していることに特徴がある。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the semiconductor element
図3に示すように、複数のパッド50のさらに外側の余剰領域、すなわちDieの周りのスクライブレーンに、制御回路40に選択されないダミー半導体素子60を形成した構成である。加えて、このダミー半導体素子60は、半導体素子の疎密を変化させて配置している。
スクライブレーンに形成されるダミー半導体素子60には、MOSFET、BJT、ポリシリコン抵抗、MOS容量、及びMIM容量等がある。
As shown in FIG. 3, a
The
以上の構成を用いれば、測定結果のレイアウト依存ばらつきの再現性を確保することができる。
なお、スクライブレーン以外、例えば大アレイ30と複数のパッド50との間や、ユニット20の内部にダミー半導体素子60を配置してもよい。
By using the above configuration, it is possible to ensure the reproducibility of the layout dependent variation of the measurement result.
In addition to the scribe lane, for example, the
本発明の多量測定回路は、半導体素子のグローバルばらつき、ローカルばらつき、レイアウト依存ばらつき、及びこれらのばらつきの半導体素子間の相関関係評価への利用に適しており、特に高周波ICに用いられるサブミクロンプロセス等への利用に適している。 The mass measurement circuit of the present invention is suitable for use in evaluating global variations, local variations, layout-dependent variations, and correlations between these variations in semiconductor elements, and in particular, a submicron process used in high-frequency ICs. Suitable for use in etc.
1、2 多量測定回路
10 小アレイ
20 ユニット
30 大アレイ
40 制御回路
50 パッド
60 ダミー半導体素子
1, 2
Claims (3)
少なくとも1種類の複数ペアの半導体素子が、所定のサイズ及び配置で形成された小アレイ、
前記小アレイを格子状に複数配置して構成されるユニット、及び
前記ユニットを格子状に複数配置して構成される大アレイと、
前記半導体素子の測定項目に応じて、いずれか1つの半導体素子を選択する制御回路とが形成された、多量測定回路。 A mass measurement circuit used for mass measurement of semiconductor elements,
A small array in which at least one type of a plurality of pairs of semiconductor elements is formed in a predetermined size and arrangement;
A unit configured by arranging a plurality of the small arrays in a grid, and a large array configured by arranging a plurality of the units in a grid,
A large quantity measurement circuit formed with a control circuit for selecting any one semiconductor element in accordance with a measurement item of the semiconductor element.
The mass measurement circuit according to claim 1, further comprising a plurality of dummy semiconductor elements having different density, which are not selected by the control circuit.
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JP2006179964A JP2008010655A (en) | 2006-06-29 | 2006-06-29 | Circuit for measuring lots of semiconductor elements |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11101275B2 (en) | 2015-12-18 | 2021-08-24 | Rohm Co., Ltd. | Ferroelectric memory array surrounded by ferroelectric dummy capacitors |
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2006
- 2006-06-29 JP JP2006179964A patent/JP2008010655A/en active Pending
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