JP2011165796A - 劣化検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体集積回路の素子（特にトランジスタ）の劣化を正確に測定する。
【解決手段】リングオシレータ（１）の周波数情報を出力する周波数測定器（２）と、リングオシレータ（１）を良否判定する判定回路（７）とを具備する劣化検出回路（８）を構成する。判定回路（７）は、周波数情報と、リングオシレータ（１）の動作環境と発振周波数との関連性を示す環境依存特性情報（１５）（１６）（１７）と、リングオシレータ（１）の発振周波数として許容される許容範囲情報（６）と、リングオシレータ（１）の動作時の環境特定情報（１３）（１４）とを受けとる。そして、環境特定情報（１３）（１４）と環境依存特性情報（１５）（１６）（１７）とに基づいてリングオシレータ（１）の理想的な発振周波数である理想周波数を算出し、周波数情報が、許容範囲情報（６）に対応する条件に含まれているか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路の劣化検出回路に関し、特に素子の特性劣化の測定を可能とする半導体集積回路の劣化検出回路に関する。

情報処理技術の進歩に伴って、半導体集積回路に対する微細化、高集積化及び動作速度の高速化の要求が高まってきている。半導体集積回路の微細化された素子は、ホットキャリアなどに起因して、閾値電圧Ｖｔや相互コンダクタンスｇｍなどのデバイス特性が変動してしまうことがある。デバイス特性の変動（劣化）によって発生する劣化故障は、半導体集積回路の信頼性を低下させる。したがって、特に動作が停止することが許されないサーバ等向けの半導体集積回路にあっては、システム動作中に劣化検出および故障予測することが要求される。このように劣化故障を検出する技術として例えば次の特許文献１〜３などの技術が公開されている。

特許文献１には、動作中のＩＣの障害以前に、寿命末期のフラグを出し、それによってＩＣが使用されているシステムのダウンタイムを低減する技術が記載されている。特許文献１に記載の技術は、ホットキャリア注入によって劣化するリング発振器の周波数を測定して、その周波数の低下が所定の閾値より下に低下するときに障害を表示することによって、ホットキャリア注入障害を予測している。

特許文献２には、交流的動作と直流的測定が可能な半導体装置を構成し、ホットキャリアに起因する劣化量を実際に近い状態で精度良く評価するための技術が記載されている。特許文献２に記載の技術では、参照用と試験用２つのリングオシレータを用い、参照用リングオシレータに対して、試験用リングオシレータの発振周波数の変化分を劣化と判断している。

特許文献３には、ＡＣ特性の劣化を把握可能とするとともに、特性劣化がおこるデバイスの使用を可能とする技術が記載されている。特許文献３に記載の技術では、リングオシレータの発振周波数と、あらかじめメモリに保存された基準値を比較して劣化を判断している。

特開２００４−２６６２４３号公報 特開平０９−１２７１８６号公報 特開平０９−０９７８７４号公報

従来の技術では、メモリに格納されたリングオシレータの特性と、実際にリングオシレータの特性を評価する時の条件（例えば、動作時の半導体集積回路（デバイス）の温度や動作電圧など）が一致している必要がある。しかし、特性を評価する時の条件を、常に一定にさせておくことは、非常に困難である。そのため、周波数が変化したときに、その変化に対応したトランジスタの劣化を適切に判断することが困難なことがある。また、試験用リングオシレータの劣化を参照用リングオシレータの周波数との差で測定する場合、参照用リングオシレータが劣化しているときには正確な判定をすることが困難になる。つまり従来技術では、正確な半導体集積回路の素子の劣化検出が行えないという恐れがあった。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

上記の課題を解決するために、半導体集積回路に備えられた劣化検出回路（８）を、リングオシレータ（１）と、リングオシレータ（１）の動作時の発振周波数を測定し、周波数情報を出力する周波数測定器（２）と、リングオシレータ（１）を良否判定する判定回路（７）とを具備するように構成する。ここにおいて、判定回路（７）は、周波数情報と、リングオシレータ（１）の動作環境と発振周波数との関連性を示す環境依存特性情報（１５）（１６）（１７）と、リングオシレータ（１）の発振周波数として許容される許容範囲情報（６）と、リングオシレータ（１）の動作時の環境特定情報（１３）（１４）とを受けとる。そして、環境特定情報（１３）（１４）と環境依存特性情報（１５）（１６）（１７）とに基づいて、環境特定情報（１３）（１４）により特定された条件でのリングオシレータ（１）の理想的な発振周波数である理想周波数を算出し、周波数情報が、許容範囲情報（６）に対応する条件に含まれているか否かを判定する。

換言すると、劣化検出回路８の判定回路７は、トランジスタの劣化を検出するために、測定された電圧情報と温度情報の少なくともいずれか一方の情報と、リングオシレータの電圧及び温度依存特性情報から無劣化時の理想発振周波数を算出している。そして、入力された許容下限情報と理想発振周波数とから、許容下限発振周波数を算出し、その許容下限発振周波数とリングオシレータの発振周波数とを比較して、劣化検出回路８の良否判定を行っている。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、半導体集積回路の素子（特にトランジスタ）の劣化を正確に測定することが可能となる。

図１は本実施形態の劣化検出回路８の構成を例示するブロック図である。 図２は、メモリ５に保持される環境依存特性情報の構成を例示するテーブルである。 図３は、第２実施形態の劣化検出回路８の構成を例示するブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［第１実施形態］
［構成］
図１は本実施形態の劣化検出回路８の構成を例示するブロック図である。劣化検出回路８は、リングオシレータ１と、周波数測定器２と、電圧センサ３と、温度センサ４と、メモリ５と、判定回路７とを備えている。周波数測定器２は、カウンタなどに代表される測定器であり、リングオシレータ１の発振周波数を測定する。電圧センサ３は、劣化検出回路８の電圧を検出して電圧情報１３を生成し、その電圧情報１３を判定回路７に供給する。温度センサ４は、劣化検出回路８の温度を検出して温度情報１４を生成し、その温度情報１４を判定回路７に供給する。

メモリ５は、許容範囲情報６と、リングオシレータの電圧依存特性情報１５と、リングオシレータの温度依存特性情報１６と、リングオシレータの電圧・温度依存特性情報１７とを保持している。リングオシレータの電圧依存特性情報１５は、電圧と周波数との関連を示している。リングオシレータの温度依存特性情報１６は、温度と周波数との関連を示している。リングオシレータの電圧・温度依存特性情報１７は、電圧と温度との両方と周波数との関連を示している。許容範囲情報６は、許容できる劣化の下限を示す情報である。リングオシレータの電圧依存特性情報１５、リングオシレータの温度依存特性情報１６およびリングオシレータの電圧・温度依存特性情報１７を保持するメモリ５は、ＲＡＭ、レジスタ、ＲＯＭなどの記憶媒体で構成され、判定回路７によって読み出し可能に記憶されていることが好ましい。

判定回路７は、周波数測定器２が測定したリングオシレータ１の発振周波数と、演算によって得られた許容下限周波数とを比較する。その許容下限周波数は、劣化していないリングオシレータ１の周波数（以下、理想発振周波数と記載する）と許容範囲情報６とに基づいて算出される。その理想発振周波数は、電圧情報１３と温度情報１４のうちの少なくとも一方の情報を受けたとき、リングオシレータの電圧依存特性情報１５、リングオシレータの温度依存特性情報１６、リングオシレータの電圧・温度依存特性情報１７のうちの少なくとも１つを参照して求められる。

図２は、メモリ５に保持される環境依存特性情報（リングオシレータの電圧依存特性情報１５、リングオシレータの温度依存特性情報１６、リングオシレータの電圧・温度依存特性情報１７）の構成を例示するテーブルである。図５は、上述のリングオシレータの電圧・温度依存特性情報１７の構成を例示している。メモリ５は、テーブル３１に示されるような、電圧対温度のテーブル形式の周波数情報を保持している。なお、リングオシレータ１のリングオシレータの電圧依存特性情報１５は、任意の特定の温度に対し、複数の電圧情報に対応する周波数が示されていればよい。同様に、リングオシレータの温度依存特性情報１６は、任意の特定の電圧に対し、複数の温度情報に対応する周波数が示されていればよい。

［動作］
以下に、本実施形態の劣化検出回路８の動作について説明を行う。上述の図１において、制御信号入力端子１１からは、リングオシレータ１を発振させる制御信号が供給される。実際の使用時には、制御信号入力端子１１に供給する制御信号を制御して、リングオシレータ１を発振させ続ける。基準信号入力端子１２からは、周波数測定器２の基準信号が供給される。その基準信号は、カウント開始から終了までのパルス信号である。周波数測定器２は、所定の期間カウントしたリングオシレータ１の周波数ｆｏｕｔを、判定回路７に供給する。

環境特定情報生成機能ブロック１９は、劣化検出回路８の電圧と温度の少なくとも一方を測定し、電圧情報１３または温度情報１４を判定回路７に供給する。なお、以下の実施形態においては、電圧情報１３と温度情報１４の両方を用いる場合を例示する。

この場合に、判定回路７は、電圧情報１３と温度情報１４とを受け取る。また判定回路７は、リングオシレータの電圧依存特性情報１５、リングオシレータの温度依存特性情報１６およびリングオシレータの電圧・温度依存特性情報１７を読み出す。判定回路７は、それらの情報から、無劣化時の発振周波数（理想発振周波数ｆｒｅｆ０）を算出する。算出された理想発振周波数ｆｒｅｆ０と、許容範囲情報６とに基づいて、許容周波数範囲ｆｒｅｆを特定する。そして、その許容周波数範囲ｆｒｅｆを参照して、リングオシレータ１の測定周波数ｆｏｕｔを検証する。その測定周波数ｆｏｕｔが、許容周波数範囲ｆｒｅｆを外れていない場合は良判定、下回るなどその範囲を外れている場合に不良判定を出力する。

上述の実施形態において、劣化検出回路８は、その内部に電圧センサ３を備えている。その電圧センサ３は、リングオシレータ１に供給される電圧を測定した結果を、電圧情報１３として判定回路７に供給している。また、劣化検出回路８の内部に温度センサ４を設け、リングオシレータ１の温度を測定した結果を温度情報１４として判定回路７に供給している。

本実施形態の劣化検出回路８は、このような構成に制限されるものでは無い。例えば、劣化検出回路８の内部に電圧センサ３を設けず、リングオシレータ１に供給される電圧を、劣化検出回路８の外部に出力して、その劣化検出回路８の外部の測定器で測定しても良い。同様に、劣化検出回路８の内部に温度センサ４を設けず、劣化検出回路８の温度を、劣化検出回路８の外部の測定器で測定しても良い。

また、上述の実施形態において、リングオシレータ１のリングオシレータの電圧依存特性情報１５およびリングオシレータの温度依存特性情報１６は、（１）式のような、電圧または温度を変数とする関数によって特定される構成であっても良い。
ｆｒｅｆ０ ＝ ｆ（ｖ，ｔ） ・・・（１）

さらに、上述の実施形態において、許容範囲情報６を予めメモリ５に格納している劣化検出回路８を例示してきたが、許容範囲情報６は、上述の構成に制限されるものでは無い。例えば、許容範囲情報６を外部から指定するような構成であっても良い。また、許容範囲情報６の値自体も、理想値に対して％で指定しても、絶対値を指定しても良い。許容範囲情報６は、値を２つ以上設定し、劣化が許容範囲内だが注意を必要とする値、劣化が許容範囲を越えたことを示す値、のように複数段階に分けてもよい。

このように、本実施形態の劣化検出回路８では、リングオシレータに供給される電圧と温度を測定して、その条件での理想発振周波数と実際の発振周波数を比較する。それによって、トランジスタの劣化を正確に測定することが可能となる。

上述した先行技術のような、参照用と試験用リングオシレータの２つを用いて劣化を測定する場合は、参照用と試験用リングオシレータとの差分を劣化として測定することになる。しかしこの場合には、基準となる評価用リングオシレータの劣化自体を考慮できない。本実施形態の劣化検出回路８では、参照用リングオシレータの特性があらかじめメモリ等に保存されていて、その値を参照する。そのため基準となる発振周波数自体が劣化するという可能性はない。

［第２実施形態］
以下に、図面を参照して、本願発明の第２実施形態について説明を行う。図３は、第２実施形態の劣化検出回路８の構成を例示するブロック図である。第２実施形態の劣化検出回路８は、第１実施形態の劣化検出回路８と同様にリングオシレータ１の周波数を測定する。このとき第２実施形態の劣化検出回路８は、測定した時刻とその周波数をメモリ５に保存する。

また、第２実施形態の劣化検出回路８において、判定回路７は、リングオシレータ１の測定周波数ｆｏｕｔと許容周波数範囲ｆｒｅｆとの判定を行った後に、その判定結果をメモリ５に格納する。リングオシレータ１の周波数を測定する時に、判定回路７は、電圧依存情報と温度依存情報と同時に、過去の測定結果をメモリ５から読み出している。それによって、判定回路７は、リングオシレータ１の劣化量に加えて、劣化の速度も判定できるようになる。

以上、本願発明の実施の形態を具体的に説明した。本願発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１…リングオシレータ
２…周波数測定器
３…電圧センサ
４…温度センサ
５…メモリ
６…許容範囲情報
７…判定回路
８…劣化検出回路
１１…制御信号入力端子
１２…基準信号入力端子
１３…電圧情報
１４…温度情報
１５…リングオシレータの電圧依存特性情報
１６…リングオシレータの温度依存特性情報
１７…リングオシレータの電圧・温度依存特性情報
１８…判定結果出力端子
１９…環境特定情報生成機能ブロック
２１…測定周波数情報
２２…測定時刻
２３…周波数
２４…判定結果
３１…テーブル

Claims (8)

1. 半導体集積回路に備えられた劣化検出回路であって、
   前記劣化検出回路は、
   リングオシレータと、
   前記リングオシレータの動作時の発振周波数を測定し、周波数情報を出力する周波数測定器と、
   前記リングオシレータを良否判定する判定回路と
   を具備し、
   前記判定回路は、
   前記周波数情報と、
   前記リングオシレータの動作環境と発振周波数との関連性を示す環境依存特性情報と、
   前記リングオシレータの発振周波数として許容される許容範囲情報と、
   前記リングオシレータの動作時の環境特定情報と
   を受け、
   前記環境特定情報と前記環境依存特性情報とに基づいて、前記環境特定情報により特定された条件での前記リングオシレータの理想的な発振周波数である理想周波数を算出し、
   前記周波数情報が、前記許容範囲情報に対応する条件に含まれているか否かを判定する
   劣化検出回路。
2. 請求項１に記載の劣化検出回路において、
   前記判定回路は、
   前記理想周波数と前記許容範囲情報とに基づいて、前記リングオシレータの許容周波数範囲を特定し、
   前記周波数情報が、前記許容周波数範囲に含まれているか否かを判定する
   劣化検出回路。
3. 請求項２に記載の劣化検出回路において、
   前記環境特定情報は、電圧情報または温度情報の少なくとも一方の情報であり、
   前記電圧情報は、前記リングオシレータに供給される電圧を示し、
   前記温度情報は、前記リングオシレータの温度を示す
   劣化検出回路。
4. 請求項３に記載の劣化検出回路において、
   前記動作環境が、前記リングオシレータに供給される電圧のとき、
   前記環境依存特性情報は、
   前記電圧の変化と正常動作時の前記リングオシレータの発振周波数との関連性を示し、
   前記動作環境が、前記リングオシレータの温度のとき、
   前記環境依存特性情報は、
   前記温度の変化と正常動作時の前記リングオシレータの発振周波数との関連性を示し、
   前記環境依存特性情報は、
   前記動作環境が、前記リングオシレータに供給される電圧と前記リングオシレータの温度の両方であるとき、
   前記電圧の変化と前記温度の変化の両方と正常動作時の前記リングオシレータの発振周波数との関連性を示す
   劣化検出回路。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の劣化検出回路において、さらに、
   前記環境特定情報を出力する環境特定情報生成機能ブロックと、
   メモリと
   を具備し、
   前記メモリは、
   前記環境依存特性情報と前記許容範囲情報と
   を記憶する
   劣化検出回路。
6. 請求項５に記載の劣化検出回路において、
   前記環境特定情報生成機能ブロックは、
   電圧センサと温度センサの少なくとも一方を備え、
   前記電圧センサは、前記電圧情報を出力し、
   前記温度センサは、前記温度情報を出力する
   劣化検出回路。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の劣化検出回路において、
   前記判定回路は、
   前記動作時の前記リングオシレータの発振周波数が、前記特定した前記許容周波数範囲に含まれているか否かを判定した判定結果を格納し、
   将来の前記リングオシレータの発振周波数が、将来の許容周波数範囲に含まれているか否かを判定するときに、前記判定結果を読み出し、
   前記判定結果を参照して、前記リングオシレータの劣化の度合いを判定する
   劣化検出回路。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の劣化検出回路を備えた
   半導体集積回路。

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