JP2010010193A - 半導体装置及び半導体装置の入力回路の閾値の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】閾値の測定を一つの端子で行うことができる半導体装置及び半導体装置の入力回路の閾値の測定方法を提供する。
【解決手段】ＴＥＳＴ信号入力端子４０から入力される信号が「Ｈ」レベルのときに、スイッチ回路３０がＯＮし、入力回路１２の出力（ノードＮ２）と入力端子２０（ノードＮ１）とがショートした状態になる。測定装置５０の定電圧器５４の出力電圧（入力端子の入力電圧）を上昇または下降させながら、流れる電流の向きを電流測定器５２でモニタリングし、向きが変化したときの入力電圧を、入力閾値電圧として測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の入力回路の閾値の測定方法に関する。

従来から、半導体装置の集積回路（ＩＣ）等、半導体装置の入力回路の閾値電圧の測定が行われている。

例えば、入力端子に印加する信号（電圧）を変化させて、入力回路の電源電流の変化をモニタすることにより閾値電圧を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、一般に、図７（１）に示すように、半導体集積回路６０の入力端子７０に印加する信号ＩＮを変化させながら、出力端子７２から出力される出力信号ＯＵＴの電圧変化をモニタすることにより入力回路６２の閾値電圧を測定する技術が知られている。当該技術について図７（２）を参照して説明する。図７（２）では、一例として、入力回路６２が、シュミットトリガタイプのインバータ回路６６及びインバータ回路６８を含んで構成されている場合を示している。この場合、シュミットトリガタイプのインバータ回路６６の閾値電圧を測定する。低電圧側から高電圧側へ入力電圧が変化する場合の閾値電圧（以下、「Ｈ」レベル入力閾値電圧という。）を測定する場合は、入力端子７０から印加される入力信号ＩＮをローレベル（以下、「Ｌ」レベルという。）からハイレベル（以下、「Ｈ」レベルという。）へ徐々に電圧を上げていき、「Ｈ」レベル入力閾値電圧を超えたときの、出力信号ＯＵＴの変化をモニタする。

一方、高電圧側から低電圧側へ入力電圧が変換する場合の閾値電圧（以下、「Ｌ」レベル入力閾値電圧という。また、「Ｈ」レベル入力閾値電圧及び「Ｌ」レベル入力閾値電圧の両方を指す場合は入力閾値電圧という。）を測定する場合は、入力端子７０から印加される入力信号ＩＮを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルへ徐々に電圧を下げていき、「Ｌ」レベル入力閾値電圧を超えたときの、出力信号ＯＵＴの変化をモニタする。
特開平０４−１９４６７７号公報

上記従来の技術では、出力端子７２から出力される出力信号ＯＵＴが変化することにより入力閾値電圧を測定するため、入力端子７０と別に、入力信号ＩＮの変化の影響を受ける（入力閾値電圧の前後で変化する）出力信号ＯＵＴを出力する測定用出力端子７２が必要になる。すなわち、入力閾値電圧の測定用に、入力端子７０と測定用出力端子７２と、２つの端子が必要になる。半導体集積回路に通常使用されている端子を測定用出力端子７２として使用する場合、入力信号ＩＮの変化と出力信号ＯＵＴの変化とが対応するように、測定装置から半導体集積回路に複雑な試験パターンを入力する必要がある。また、入力する試験パターンにかかわらず、入力信号ＩＮの変化が出力信号ＯＵＴに現れない（対応しない）場合があり、このような場合は、入力閾値電圧の測定用出力端子７２を通常の端子とは別途に、設ける必要がある。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、閾値の測定を一つの端子で行うことができる半導体装置及び半導体装置の入力回路の閾値の測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の半導体装置は、入力端子に入力された入力電圧と予め定めた閾値電圧との比較結果に応じて出力電圧をローレベルと、前記閾値電圧よりも高いハイレベルとに切り替える入力回路と、前記出力電圧が入力される内部回路の入力側と前記入力端子との間に接続され、所定のテスト信号が入力された場合に、前記入力端子と前記入力回路の出力端とをショートさせるスイッチ回路と、を備える。

請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、前記入力回路がシュミットトリガタイプのインバータを含むバッファ回路であり、前記閾値電圧は前記出力電圧を前記ローレベルから前記ハイレベルに切り替えるための第１の閾値電圧と、前記第１の閾値電圧と異なり、かつ前記出力電圧を前記ハイレベルから前記ローレベルに切り替えるための第２の閾値電圧と、を含む。

請求項３に記載の半導体装置は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、前記スイッチ回路がＰチャネルトランジスタ、Ｎチャネルトランジスタ、及びインバータを含む。

請求項４に記載の半導体装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記スイッチ回路と前記入力端子との間に抵抗が接続されている。

請求項５に記載の半導体装置の入力回路の閾値の測定方法は、前記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の前記入力端子に入力する入力電圧を徐々に上昇または下降させ、前記入力端子から流れる電流の向きが変化したときの前記入力電圧を閾値電圧として測定する。

本発明によれば、閾値の測定を一つの端子で行うことができる半導体装置及び半導体装置の入力回路の閾値の測定方法を提供することができる、という効果が得られる。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、シュミットトリガタイプのインバータ回路及びインバータ回路を備えた入力回路の入力閾値電圧の測定を行う場合について詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る半導体集積回路１０の概略構成の一例を示す構成図である。本実施の形態の半導体集積回路１０は、入力回路１２、内部論理回路１４、入力端子２０、スイッチ回路３０、及びＴＥＳＴ信号入力端子４０を備えて構成されている。

本実施の形態の入力回路１２は、シュミットトリガタイプインバータ１６及びインバータ１８を含んで構成されている。入力信号ＩＮが入力閾値電圧以下の場合は、シュミットトリガタイプインバータ１６の出力は「Ｈ」レベルになり、インバータ回路１８の出力は「Ｌ」レベルになる。また、入力閾値電圧を越えた場合は、シュミットトリガタイプインバータ１６の出力は「Ｌ」レベルになり、インバータ回路１８の出力は「Ｈ」レベルになる。インバータ１８の「Ｈ」レベル出力はシュミットトリガタイプインバータ１６の「Ｈ」レベル入力閾値電圧よりも高く、「Ｌ」レベル出力はＧＮＤと同電位である。

内部論理回路１４は、所定の演算を行ったり、信号を記憶したり、半導体集積回路１０の所定の動作をするための回路である。

スイッチ回路３０は、インバータ回路３２、Ｐチャネルトランジスタ３４、及びＮチャネルトランジスタ３６を含んで構成されているアナログスイッチ回路である。スイッチ回路３０は、ＴＥＳＴ信号入力端子４０のＴＥＳＴ信号が「Ｈ」レベルのときに、Ｎチャネルトランジスタ３６のゲート及びＰチャネルトランジスタ３４のゲートが「ＯＮ」になり、入力回路１２の出力（ノードＮ２）と入力（ノードＮ１）とをショートさせる。ＴＥＳＴ信号が「Ｌ」レベルのときに「ＯＦＦ」になる。

なお、本実施の形態では、スイッチ回路３０を動作（ＯＮ／ＯＦＦ）させるためのＴＥＳＴ信号は、半導体集積回路１０の外部から入力される信号であるが、これに限らず、半導体集積回路１０の内部にＴＥＳＴ信号出力回路を設け、これより出力されるＴＥＳＴ信号であってもよい。また、内部論理回路１４の動作テスト等所定のテストを行うために、半導体集積回路１０に備えられている動作テスト用回路から出力される信号をＴＥＳＴ信号として用いてもよい。

次に、本実施の形態の半導体集積回路１０の入力回路１２の入力閾値電圧の測定動作について図２〜５を参照して詳細に説明する。

図２は、本実施の形態の半導体集積回路１０及び入力閾値電圧の測定装置５０の概略構成の一例を示す構成図である。本実施の形態では、半導体集積回路１０の入力回路１２の入力閾値電圧は、測定装置５０を用いて測定する。測定装置５０は、電流測定器５２及び電圧値が可変の定電圧器５４を含んで構成されている。定電圧器５４の電圧を上昇または下降させて行き、電流測定器５２で流れる電流の向きを検出することにより入力閾値電圧を測定する。

入力閾値電圧を測定するときには、ＴＥＳＴ信号入力端子４０からのＴＥＳＴ信号が「Ｈ」レベルになり、スイッチ回路３０がＯＮし、入力回路１２の出力（ノードＮ２）と入力端子２０（ノードＮ１）とは、ショートしている。

「Ｈ」レベル入力閾値電圧を測定する場合、図４に示すように、定電圧器５４の出力電圧を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに徐々に上昇させる。定電圧器５４の出力電圧（入力端子２０の入力電圧）が「Ｈ」レベル入力閾値電圧ＶＨまでは定電圧器５４の電圧の方がインバータ１８の出力電圧（ノードＮ２の電圧）よりも高いため、図３（１）に示すように、電流は定電圧器５４からノードＮ２へ矢印Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の向きに流れる。

定電圧器５４の出力電圧が「Ｈ」レベル入力閾値電圧ＶＨを越えると、シュミットトリガタイプインバータ１６の出力が「Ｌ」レベルになり、インバータ１８の出力が「Ｈ」レベルになる。インバータ１８の「Ｈ」レベル出力は、シュミットトリガタイプインバータ１６の「Ｈ」レベル入力閾値電圧よりも高いため、ノードＮ２の電圧の方が定電圧器５４の出力電圧よりも高くなり、図３（２）に示すように、電流はノードＮ２から定電圧器５４へ矢印Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６の向きに逆流する。

電流の向きが変わった（逆流した）タイミングＴ１のときの定電圧器５４の出力電圧が「Ｈ」レベル入力閾値電圧ＶＨである。

一方、「Ｌ」レベル入力閾値電圧を測定する場合、図４に示すように、定電圧器５４の出力電圧を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに徐々に下降させる。定電圧器５４の出力電圧（入力端子２０の入力電圧）が「Ｌ」レベル入力閾値電圧ＶＬを越える前は定電圧器５４の電圧の方がインバータ１８の出力電圧（ノードＮ２の電圧）よりも低いため、図５（１）に示すように、電流はノードＮ２から定電圧器５４へ矢印Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６の向きに逆流する。

定電圧器５４の出力電圧が「Ｌ」レベル入力閾値電圧ＶＬを越えると、シュミットトリガタイプインバータ１６の出力が「Ｈ」レベルになり、インバータ１８の出力が「Ｌ」レベルになる。インバータ１８の「Ｌ」レベル出力は定電圧器５４の出力電圧よりも低いため、ノードＮ２の電圧の方が定電圧器５４の出力電圧よりも低くなり、図５（２）に示すように、電流は定電圧器５４からノードＮ２へ矢印Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の向きに流れる。

電流の向きが変わったタイミングＴ２のときの定電圧器５４の出力電圧が「Ｌ」レベル入力閾値電圧ＶＬである。

なお、本実施の形態の入力回路１２はシュミットトリガタイプインバータ１６及びインバータ１８を含んだ構成としているが、これに限らず、インバータ１８を備えずに、シュミットトリガタイプインバータ１６のみを備えた構成の入力回路１２であってもよい。この場合、シュミットトリガタイプインバータ１６の「Ｈ」レベル出力は「Ｈ」レベル入力閾値電圧よりも高い。

シュミットトリガタイプインバータ１６のみを備えた入力回路１２の入力閾値電圧の測定は、「Ｈ」レベルのＴＥＳＴ信号によりスイッチ回路３０をＯＮにした後、「Ｈ」レベル入力閾値電圧を測定する場合は、図４に示すように、定電圧器５４の出力電圧を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに徐々に上昇させる。入力端子２０の入力電圧が「Ｈ」レベル入力閾値電圧ＶＨまではシュミットトリガタイプインバータ１６の出力は「Ｈ」レベルであり、定電圧器５４の電圧の方がシュミットトリガタイプインバータ１６の出力電圧よりも低いため、電流はノードＮ２から定電圧器５４へ逆流する。入力電圧が「Ｈ」レベル入力閾値電圧ＶＨを越えると、シュミットトリガタイプインバータ１６の出力が「Ｌ」レベルになる。ノードＮ２の電圧の方が定電圧器５４の出力電圧よりも低くなり、電流は定電圧器５４からノードＮ２へ流れる。電流の向きが変わったタイミングＴ１のときの定電圧器５４の出力電圧が「Ｈ」レベル入力閾値電圧ＶＨである。

一方、「Ｌ」レベル入力閾値電圧を測定する場合、図４に示すように、定電圧器５４の出力電圧を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに徐々に下降させる。入力端子２０の入力電圧が「Ｌ」レベル入力閾値電圧ＶＬを越える前はシュミットトリガタイプインバータ１６の出力は「Ｌ」レベルであり、定電圧器５４の電圧の方がインバータ１８の出力電圧よりも高いため、電流は定電圧器５４からノードＮ２へ流れる。入力電圧が「Ｌ」レベル入力閾値電圧ＶＬを越えると、シュミットトリガタイプインバータ１６の出力が「Ｈ」レベルになる。シュミットトリガタイプインバータ１６の「Ｈ」レベル出力は定電圧器５４の出力電圧よりも高いため、ノードＮ２の電圧の方が定電圧器５４の出力電圧よりも高くなり、電流はノードＮ２から定電圧器５４へ逆流する。電流の向きが変わったタイミングＴ２のときの定電圧器５４の出力電圧が「Ｌ」レベル入力閾値電圧ＶＬである。

また、入力回路１２の構成をシュミットトリガタイプインバータ１６の代わりに、通常のインバータや、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ等の論理回路等で構成してもよい。入力閾値電圧と、入力回路１２から出力される「Ｈ」レベル及び「Ｌ」レベルとの間に高低差があり、入力閾値電圧の前後で定電圧器５４とノードＮ２との間で流れる電流の向きが反転すればよい。

さらに、本実施の形態では、スイッチ回路３０をインバータ回路３２、Ｐチャネルトランジスタ３４、及びＮチャネルトランジスタ３６を含んで構成されているアナログスイッチ回路としているがこれに限らず、Ｐチャネルトランジスタ３４及びＮチャネルトランジスタ３６の何れか一方のみを備えたものであってもよいし、その他の構成であってもよい。ＴＥＳＴ信号の出力レベルに基づいて、ノードＮ１とノードＮ２とがショートするようにスイッチがＯＮ／ＯＦＦする回路であれば特に限定されない。

以上説明したように、本実施の形態の半導体集積回路１０では、ＴＥＳＴ信号入力端子４０から入力される信号が「Ｈ」レベルのときに、スイッチ回路３０がＯＮし、入力回路１２の出力（ノードＮ２）と入力端子２０（ノードＮ１）とがショートした状態になる。

測定装置５０の定電圧器５４の出力電圧を上昇または下降させながら、流れる電流の向きを電流測定器５２でモニタリングすることにより、入力閾値電圧が測定できる。

定電圧器５４の出力電圧を徐々に上昇させていき、定電圧器５４からノードＮ２に向かって流れていた電流の向きがノードＮ２から定電圧器５４に向かって流れた（逆流した）ときの出力電圧（入力端子２０の入力電圧）が「Ｈ」レベル入力閾値電圧である。定電圧器５４の出力電圧を徐々に下降させていき、ノードＮ２から定電圧器５４に向かって流れていた電流の向きが定電圧器５４からノードＮ２に向かって流れた（逆流した）ときの出力電圧（入力端子２０の入力電圧）が「Ｌ」レベル入力閾値電圧である。

このように、入力閾値電圧の測定用端子として入力端子２０のみを用いて入力閾値電圧の測定を行うことができ、従って、測定用の出力端子を備えなくても入力閾値電圧の測定を行うことができる。また、測定装置から半導体集積回路に複雑な試験パターンを入力する必要がなく、入力端子２０に電位（電圧）を印加しながら流れる電流の向きをモニタするのみで入力閾値電圧の測定を行うことができる。

［第２の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図６は、本実施の形態に係る半導体集積回路１１の概略構成の一例を示す構成図である。本実施の形態は、スイッチ回路３０とノードＮ１との間に抵抗３８が接続されている構成としている他は、第１の実施の形態と略同様の構成及び動作であるので、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、抵抗３８が、Ｐチャネルトランジスタ３４及びＮチャネルトランジスタ３６とノードＮ１との間に配置されて構成されている。

本実施の形態の半導体集積回路１１の入力閾値電圧測定時の動作は第１の実施の形態と同様になるが、抵抗３８を流れることにより、スイッチ回路３０（ノードＮ１及びＮ２間）を流れる電流が小さくなる。これにより、入力回路１２の出力電圧が入力端子２０の入力電圧に影響を与えるのを防止することができ、測定装置５０の定電圧器５４の駆動能力が低い場合でも、入力電圧を狙った値にすることができる。従って、精度良く入力閾値電圧の測定を行うことができる。

また、抵抗３８を流れることにより、入力端子２０から侵入してくるノイズの低減や、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、静電破壊）を防止することができる。

なお、抵抗３８の値は、ある程度の高抵抗であることがよいが具体的な値は、定電圧器５４の駆動能力やノイズの低減やＥＳＤ破壊の防止等を考慮して予め定めた値とすればよい。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体集積回路の概略構成の一例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態の半導体集積回路及び入力閾値電圧の測定装置の概略構成の一例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る「Ｈ」レベル入力閾値電圧の測定動作の一例を説明するための説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る入力閾値電圧の測定時の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る「Ｌ」レベル入力閾値電圧の測定動作の一例を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体集積回路の概略構成の一例を示す構成図である。 従来の半導体集積回路の入力回路の閾値電圧の測定の一例について説明するための説明用構成図である。

符号の説明

１０ 半導体積回路
１２ 入力回路
１４ 内部論理回路
１６ シュミットトリガタイプインバータ
１８ インバータ
２０ 入力端子
３０ スイッチ回路
３４ Ｐチャネルトランジスタ
３６ Ｎチャネルトランジスタ
３８ 抵抗

Claims (5)

1. 入力端子に入力された入力電圧と予め定めた閾値電圧との比較結果に応じて出力電圧をローレベルと、前記閾値電圧よりも高いハイレベルとに切り替える入力回路と、
   前記出力電圧が入力される内部回路の入力側と前記入力端子との間に接続され、所定のテスト信号が入力された場合に、前記入力端子と前記入力回路の出力端とをショートさせるスイッチ回路と、
   を備えた半導体装置。
2. 前記入力回路がシュミットトリガタイプのインバータを含むバッファ回路であり、前記閾値電圧は前記出力電圧を前記ローレベルから前記ハイレベルに切り替えるための第１の閾値電圧と、前記第１の閾値電圧と異なり、かつ前記出力電圧を前記ハイレベルから前記ローレベルに切り替えるための第２の閾値電圧と、を含む、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記スイッチ回路がＰチャネルトランジスタ、Ｎチャネルトランジスタ、及びインバータを含む、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記スイッチ回路と前記入力端子との間に抵抗が接続されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の前記入力端子に入力する入力電圧を徐々に上昇または下降させ、前記入力端子から流れる電流の向きが変化したときの前記入力電圧を閾値電圧として測定する、
   半導体装置の入力回路の閾値の測定方法。

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