JP2014033000A - Semiconductor device and testing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の試験方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for testing a semiconductor device.
半導体装置の一つとして集積回路特にLSIの劣化状態を精度良く検出する技術が提供されている。この技術では、実使用回路と同一構成のモニタ回路を用意し、実使用回路と同等の素子を設けることで行なっている。通常は実使用回路を動作させるときにモニタ回路も同時に動作させており、これにより、モニタ回路の劣化程度を測定することで実使用回路の劣化を検出する技術である。 As one of semiconductor devices, a technique for accurately detecting a deterioration state of an integrated circuit, particularly an LSI is provided. In this technique, a monitor circuit having the same configuration as that of the actually used circuit is prepared, and an element equivalent to the actually used circuit is provided. Usually, when the actual circuit is operated, the monitor circuit is also operated at the same time, and this is a technique for detecting the deterioration of the actual circuit by measuring the degree of deterioration of the monitor circuit.
このようなモニタ回路を設ける構成では、実使用回路とモニタ回路とを同一工程で製造することにより、同等の品質のものが得られ、これによって絶縁膜として形成する酸化膜などにおいて同じ確率で異物が分布することが推定できる。この結果、実使用回路およびモニタ回路のどちらも同じ確率で異物等に起因した酸化膜の破壊が発生する状況とすることができる。 In such a configuration in which the monitor circuit is provided, the actual use circuit and the monitor circuit are manufactured in the same process, so that an equivalent quality product can be obtained. Can be estimated. As a result, both the actual use circuit and the monitor circuit can be in a situation where the destruction of the oxide film caused by the foreign matter or the like occurs with the same probability.
この場合、バーンイン試験でモニタ回路が異物によって劣化(故障)した場合、バーンイン試験による熱的および電気的ストレスは酸化膜の初期故障に対して十分であったといえる。しかし、モニタ回路にも実使用回路にも異物が存在しない場合には、初期故障を発生させる程度に劣化させるのに十分なストレス試験であったかどうかを判定することができない。 In this case, when the monitor circuit deteriorates (fails) due to foreign matter in the burn-in test, it can be said that the thermal and electrical stress due to the burn-in test was sufficient for the initial failure of the oxide film. However, if there is no foreign object in the monitor circuit or the actual circuit, it cannot be determined whether or not the stress test is sufficient to deteriorate the initial failure.
したがって、このような従来の技術では、バーンイン試験や高電圧印加試験のストレスが十分に実施されていたかどうかをモニタ回路から判定することができないものであった。さらには、検査工程に不備があってストレスを十分印加できない場合や接続不良などで電気的ストレス試験そのものが実施されない不具合が生じていても、これを検出して試験の不備であることを判定することができないという問題がある。 Therefore, in such a conventional technique, it is impossible to determine from the monitor circuit whether or not the stress of the burn-in test or the high voltage application test has been sufficiently performed. Furthermore, even if there is a defect in the inspection process that prevents sufficient application of stress, or a failure that prevents the electrical stress test itself from being performed due to poor connection, etc., this is detected to determine that the test is defective. There is a problem that can not be.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、ストレス試験を実施したことをチップ毎に確認でき、これによって確実にストレス試験を実施した対象素子について試験後の検査を実施することができる構成の半導体装置および半導体装置の試験方法を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the purpose thereof is to confirm that a stress test has been performed for each chip, thereby performing a post-test inspection on the target element for which the stress test has been reliably performed. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device having a configuration that can be used and a method for testing the semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置によれば、半導体基板に形成されたゲート酸化膜を備えた対象素子と、対象素子のゲート酸化膜よりも薄い膜厚のゲート酸化膜を備え対象素子に対する電気的ストレス試験を受けると劣化するモニタ素子と、モニタ素子に対して電気的ストレス試験後に分離可能な切離回路とを設けた構成としている。 According to the semiconductor device of the first aspect, the target element including the gate oxide film formed on the semiconductor substrate and the gate oxide film having a thickness smaller than the gate oxide film of the target element are provided. A monitor element that deteriorates when subjected to a stress test and a disconnect circuit that can be separated from the monitor element after an electrical stress test are provided.
これにより、対象素子に対して電気的ストレス試験を与えるときに、同時にモニタ素子にも同じ電気的ストレス試験を実施することで、ゲート酸化膜の薄いモニタ素子はストレス試験を経ることでダメージを受けて劣化あるいは破壊に至る。これによって、同時に電気的ストレスを実施した対象素子については、劣化が生じている場合には初期不良品として判定することができ、劣化が確認できない場合でも、モニタ素子が劣化することで確実に電気的ストレス試験を実施した上での劣化のない状態であることを判定することができる。このようにしてモニタ素子によって確実な判定を行った後は、切離回路によりモニタ素子を分離することで、半導体装置としてモニタ素子が動作にかかわらない状態とすることができる。 As a result, when the electrical stress test is applied to the target element, the same electrical stress test is also performed on the monitor element at the same time, so that the monitor element having a thin gate oxide film is damaged by the stress test. Leading to deterioration or destruction. As a result, the target element that has been subjected to electrical stress at the same time can be determined as an initial defective product if it has deteriorated. It is possible to determine that there is no deterioration after performing a dynamic stress test. After the reliable determination by the monitor element in this way, the monitor element is separated by the disconnection circuit, so that the monitor element as a semiconductor device can be put into a state that does not affect the operation.
請求項12に記載の半導体装置の試験方法によれば、半導体基板に形成されたゲート酸化膜を備えた対象素子と、対象素子の前記ゲート酸化膜よりも薄い膜厚のゲート酸化膜を備え対象素子に対する電気的ストレス試験を受けると劣化するモニタ素子と、モニタ素子に対して電気的ストレス試験後に分離可能な切離回路とを備えた半導体装置を対象として試験方法を行うもので、電気的ストレス試験の後にモニタ素子が劣化もしくは破壊していることで、同時に電気的ストレス試験を実施している対象素子にもその実施を行った上で劣化のないものを正常な対象素子として判定することができる。
According to the test method for a semiconductor device according to
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について図1〜図6を参照して説明する。
この実施形態では、図2に示すように、半導体装置に一体に形成されるMOSFET1を対象素子として想定している。対象素子のMOSFET1は、半導体装置内で回路内に組み込まれる半導体素子で、出荷前にストレス試験を受けて耐久性のある半導体装置が良品として残り、絶縁膜などが破壊された半導体装置は不良品として扱われる。
(First embodiment)
The first embodiment will be described below with reference to FIGS.
In this embodiment, as shown in FIG. 2, a MOSFET 1 formed integrally with a semiconductor device is assumed as a target element. The target element MOSFET 1 is a semiconductor element incorporated in a circuit within a semiconductor device. A durable semiconductor device remains as a good product after undergoing a stress test before shipment, and a semiconductor device in which an insulating film or the like is broken is defective. Are treated as
そして、この半導体装置には、モニタ素子としてモニタMOSFET2およびその周辺回路が図1に示すように一体に形成されている。半導体装置は、例えばSOI(silicon on insulator)基板上にMOSFET1とモニタMOSFET2とが形成されている。半導体装置には他の素子も形成されているが、ここでは対象としている対象素子のMOSFET1とこれに対応するモニタ素子としてのモニタMOSFET2の構成を中心に説明する。
In this semiconductor device, a
SOI基板は、図示しない支持基板上に絶縁膜を介してシリコン単結晶層3が形成されており、このシリコン単結晶層3に素子が作りこまれる。シリコン単結晶層3は、作りこむ素子あるいは回路を単位として周囲をシリコン酸化膜などの絶縁膜4により分離されている。また、シリコン単結晶層3を分離した各表面の周囲は、フィールド酸化膜5で覆う状態に構成されている。
In the SOI substrate, a silicon
MOSFET1およびモニタMOSFET2の各シリコン単結晶層3の上面中央にはシリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜6、7が形成され、その上部に多結晶シリコン膜などからなるゲート電極8が形成されている。MOSFET1のゲート絶縁膜6は所定の耐圧を確保できる膜厚が設定されている。また、モニタMOSFET2のゲート絶縁膜7は、ゲート絶縁膜6よりも薄い膜厚で形成されており、MOSFET1よりも低いゲート耐圧で、後述する通常のストレス試験を経ることで劣化あるいは破壊に至るものとして形成される。
ストレス試験では、後述するようにチップ内に形成される対象素子であるMOSFET1が初期不良品である場合に、これを故障させるのに必要なストレス(電圧・温度・時間)を印加することで積極的に故障を発生させて取り除く。この場合、モニタMOSFET2のゲート絶縁膜7は、このようなストレス試験を受けると劣化あるいは破壊する程度の酸化膜厚に設定されている。しかも、モニタMOSFET2のゲート絶縁膜7の厚さは、MOSFET1のゲート絶縁膜6の形成工程で発生するばらつきの範囲の最小の膜厚よりも薄くなるように設定されている。
In the stress test, as will be described later, when the MOSFET 1, which is a target element formed in the chip, is an initial defective product, it is actively applied by applying stress (voltage, temperature, time) necessary to break it down. Cause a failure and remove it. In this case, the
そして、上記構成の表面は、層間絶縁膜9により覆われた状態に形成され、ソース/ドレイン領域3aのコンタクト形成部分の層間絶縁膜9が除去され、コンタクトが形成されるようになっている。このように、対象素子であるMOSFET1に対してモニタ素子としてモニタMOSFET2を設ける構成としている。
The surface having the above structure is formed so as to be covered with the
また、半導体装置には、図1に示すように、モニタMOSFET2を機能させるための回路が設けられている。切離回路としてのインバータ回路10は、モニタMOSFET2のドレインにストレス試験時の電圧Vaを印加し、試験後に切離すように設けられる回路で、ここではCMOS(complementary MOS)インバータ回路により構成している。また、CMOSにより構成したインバータ回路11はモニタMOSFET2のゲートに印加する電圧Vaを制御する。
In addition, as shown in FIG. 1, the semiconductor device is provided with a circuit for causing the
上記した半導体装置は、製造工程としてウエハ工程A1および組付工程A2を経て製作される。ウエハ工程A1では、シリコン基板などのウエハに各種の加工工程を施して多数の半導体チップを半導体装置として作りこむ。また、組付工程A2では、ウエハに作りこまれた多数の半導体チップを切離して個別にパッケージング加工を行なう。そして、ウエハ工程A1中にはウエハ試験T1が実施され、組付工程A2では出荷試験T3が実施される。また、ウエハ工程A1もしくは組付工程A2のいずれかにおいてストレス試験の一つであるバーンイン試験T2あるいはT4が実施される。これらの試験を経ることで、初期不良などが発生する半導体装置を除去するスクリーニングを行うものである。 The semiconductor device described above is manufactured through a wafer process A1 and an assembly process A2 as manufacturing processes. In the wafer process A1, a wafer such as a silicon substrate is subjected to various processing processes to produce a large number of semiconductor chips as a semiconductor device. In the assembling step A2, a large number of semiconductor chips formed on the wafer are separated and packaged individually. A wafer test T1 is performed during the wafer process A1, and a shipping test T3 is performed in the assembly process A2. Also, a burn-in test T2 or T4, which is one of stress tests, is performed in either the wafer process A1 or the assembly process A2. Through these tests, screening is performed to remove a semiconductor device in which an initial failure or the like occurs.
これらの試験については、例えば図3〜図6に示すようなタイミングで実施される。図3に示す工程を採用する場合には、ウエハ工程A1の終盤にウエハ試験T1が実施され、組付工程A2の終盤にバーンイン(B/I)試験(ストレス試験)T2を行い、最後に出荷試験T3が行われる。図4に示す工程を採用する場合には、ウエハ工程A1のウエハ試験T1の後にバーンイン試験としてWLBI(wafer level burn in)試験(ストレス試験)を行う。 These tests are performed, for example, at the timings shown in FIGS. When the process shown in FIG. 3 is adopted, a wafer test T1 is performed at the final stage of the wafer process A1, a burn-in (B / I) test (stress test) T2 is performed at the final stage of the assembly process A2, and finally the shipment is performed. Test T3 is performed. When the process shown in FIG. 4 is employed, a WLBI (wafer level burn in) test (stress test) is performed as a burn-in test after wafer test T1 in wafer process A1.
この場合、組付工程A2で行うB/I試験T2では、パッケージに組み立てた個々の半導体装置を試験用のコネクタに挿入して行うもので、高温に保持するなどで温度ストレスを与えた状態で電気的な加速試験をするものである。また、ウエハ工程A1で行うWLBI試験T4では、多数のチップが作りこまれたウエハ状態で、個々の半導体装置を一括して温度ストレスを与えながら電気的な加速試験を行うものである。 In this case, the B / I test T2 performed in the assembling step A2 is performed by inserting individual semiconductor devices assembled in a package into a test connector in a state in which temperature stress is applied by holding the semiconductor device at a high temperature. This is an electrical acceleration test. Further, in the WLBI test T4 performed in the wafer process A1, an electrical acceleration test is performed while applying temperature stress to the individual semiconductor devices in a wafer state in which a large number of chips are formed.
また、ウエハ試験T1では、主として電気的なストレスを各チップに印加して試験をするもので、出荷試験T3では、同様の電気的なストレスをパッケージ毎に印加して試験をするもので、続くストレス判定試験で最終的にストレスに対する耐性を有していて初期不良となっていないことを判定するものである。 In the wafer test T1, the test is mainly performed by applying electrical stress to each chip, and in the shipping test T3, the test is performed by applying the same electrical stress for each package. In the stress determination test, it is finally determined that the device has resistance to stress and does not have an initial failure.
図5に示す工程を採用する場合には、図3の工程に類似するが、ウエハ試験T1aでは複数の電気的なストレス試験を実施してストレス判定試験も行う。また、出荷試験T3aでも、複数の電気的なストレス試験を実施して最終的なストレス判定試験を行う。図6に示す工程を採用する場合には、図3の工程からB/I試験T3を省略しているもので、温度ストレスを与えない場合の工程である。 When the process shown in FIG. 5 is adopted, the process is similar to the process of FIG. 3, but in the wafer test T1a, a plurality of electrical stress tests are performed and a stress determination test is also performed. In the shipping test T3a, a plurality of electrical stress tests are performed to perform a final stress determination test. When the process shown in FIG. 6 is adopted, the B / I test T3 is omitted from the process of FIG. 3, and this is a process when no temperature stress is applied.
さて、前述したような構成において、図3〜図6に示すような工程にて半導体装置を製造する場合に、ウエハ工程A1の最終段階では、形成された各チップがウエハ状態で試験される。この試験では、各チップに対する通常の特性測定などに加えてストレス試験が設定されており、例えば高電圧を印加して動作させるなどによりストレスを与える試験である。このストレス試験では、ウエハ上の各チップに形成されたMOSFET1および他の回路素子に対してストレスを与えると共に、モニタMOSFET2に対しても同様のストレスを与える。
In the above-described configuration, when a semiconductor device is manufactured through the processes shown in FIGS. 3 to 6, each formed chip is tested in a wafer state at the final stage of the wafer process A1. In this test, a stress test is set in addition to a normal characteristic measurement for each chip. For example, the test is performed by applying a high voltage to operate the chip. In this stress test, stress is applied to the MOSFET 1 and other circuit elements formed on each chip on the wafer, and the same stress is applied to the
この後、図3、5、6に示す製造工程を採用している場合には、この後組付工程A2に移行する。また、図4に示す製造工程を採用している場合には、WLBI試験T4が実施される。このWLBI試験T4では、ウエハ上に形成されたすべてのチップに対して高温状態で高電圧を印加することでストレスを与える。このWLBI試験T4においても、上述同様にウエハ上の各チップに形成されたMOSFET1および他の回路素子に対してストレスを与えると共に、モニタMOSFET2に対しても同様のストレスを与える。
Thereafter, when the manufacturing process shown in FIGS. 3, 5, and 6 is employed, the process proceeds to the assembling process A2. In addition, when the manufacturing process shown in FIG. 4 is adopted, the WLBI test T4 is performed. In the WLBI test T4, stress is applied by applying a high voltage at a high temperature to all chips formed on the wafer. Also in the WLBI test T4, stress is applied to the MOSFET 1 and other circuit elements formed on each chip on the wafer as described above, and the same stress is applied to the
組付工程A2では、前述したようにウエハから半導体チップを切離して個別にパッケージングする工程を経て半導体装置を形成する。この状態で、半導体装置に組み込まれた回路に対応する端子がパッケージのリードに接続され、外部との電気的信号の授受を行う。また、モニタMOSFET2についても外部から電気的ストレスを付与するために各端子がパッケージのリードに接続されている。
In the assembly process A2, as described above, the semiconductor device is formed through the process of separating the semiconductor chips from the wafer and individually packaging them. In this state, a terminal corresponding to a circuit incorporated in the semiconductor device is connected to the lead of the package, and an electrical signal is exchanged with the outside. Further, each terminal of the
組付工程A2が終了する段階で、B/I試験T2あるいは出荷試験T3が実施される。B/I試験T2では、前述したWLBI試験と同様に、高温雰囲気中で高電圧が印加されるなどして各半導体装置に加速ストレスが印加される。また、出荷試験T3においても温度を上げない状態で行う各種のストレス試験が実施される。そして、出荷試験T3の最終段階において、ストレス判定試験が実施される。 At the stage where the assembling process A2 is completed, the B / I test T2 or the shipping test T3 is performed. In the B / I test T2, as in the WLBI test described above, an acceleration stress is applied to each semiconductor device by applying a high voltage in a high temperature atmosphere. In the shipping test T3, various stress tests are performed without increasing the temperature. Then, at the final stage of the shipping test T3, a stress determination test is performed.
モニタMOSFET2はMOSFET1および他の回路素子と同様に動作させ、ゲート絶縁膜7が劣化状態あるいは絶縁破壊した状態となることをもって、チップに電気的ストレスが確実に印加されことを判定できる。実際のストレス試験としては、モニタMOSFET2を、MOSFET1および他の回路素子と同程度のクロック速度で動作させ、同じ電源系Vaに接続されるものとする。
The
この結果、モニタMOSFET2のゲート絶縁膜7が劣化状態になったり、あるいは絶縁破壊するなどして破壊された状態になっていると、OFF時にリーク電流が流れる状態となる。このようにモニタMOSFET2のゲート絶縁膜7が劣化もしくは破壊することで、OFF時のリーク電流が大きくなることを利用してストレス試験としてバーンイン試験や高電圧印加試験を行った後に、消費電流検査やIDDQ(静止状態電源電流)試験でリーク電流を測定して劣化状態あるいは破壊状態を確認できる。この結果、MOSFET1のゲート絶縁膜6や他の回路素子の酸化膜にストレスが十分に印加されていることを判定することができる。
As a result, when the
また、このようにMOSFET1および他の回路素子に十分なストレスが印加されたことが判定された場合は、モニタMOSFET2が劣化状態あるいは破壊されている状態であるから、ストレス試験実施後には、インバータ回路10によりモニタMOSFET2を無効化させる。具体的には、インバータ回路10のゲート信号としてロウレベルの信号を入力するように切り替え設定する。これにより、電源ラインにVaからモニタMOSFET2への給電ラインを断電しGNDレベルに接続することができる。この結果、ストレス試験で劣化あるいは絶縁破壊された状態のモニタMOSFET2を電源ラインVaから切り離した状態とすることができ、半導体装置として、本来の他の部分に形成された回路を用いることができる。
Further, when it is determined that sufficient stress is applied to the MOSFET 1 and other circuit elements as described above, the
このような本実施形態によれば、モニタMOSFET2を設け、そのゲート絶縁膜7の膜厚をMOSFET1のゲート絶縁膜6よりも薄く設定した。対象素子としてのMOSFET1の電気的ストレス試験と同じストレス試験をモニタMOSFET2に実施することで、ゲート絶縁膜7の膜厚が薄く設定されている分だけ劣化や破壊が起こりやすいことを利用してMOSFET1に対して確実に電気的ストレス試験を実施したことを判定することができ、その上で、MOSFET1が劣化している場合には初期不良品であることが判定でき、劣化していなければ良品であることを判定することができる。
According to this embodiment, the
切離回路として、インバータ回路10を設ける構成としたので、インバータ回路10にロウレベルのゲート信号を与えて電源電圧VaをモニタMOSFET2に印加し、ハイレベルのゲート信号を与えてモニタMOSFET2のドレインを接地状態に切り替えることができる。これによって、モニタMOSFET2の使用後には、インバータ回路10により切り離した状態とすることで、半導体装置の実使用上において支障のないものとすることができる。
Since the
次に、上記した構成について、モニタMOSFET2の構成のバリエーションについて図7、図8を参照して説明する。
図7(a)は、モニタMOSFET12の断面構成を示すもので、MOSFET1と同等のゲート絶縁膜6の中央部だけを薄くして形成したゲート絶縁膜13を設けた構成である。ゲート絶縁膜13の中央部はゲート絶縁膜7と同程度の絶縁耐圧を有するもので、同じく製造工程を経て各種のストレス試験を受けることで劣化もしくは絶縁破壊に至る程度の膜厚に形成されている。これにより、ストレス試験を確実に受けたことを判定することができる。
Next, variations of the configuration of the
FIG. 7A shows a cross-sectional configuration of the
図7(b)は、モニタMOSFET14の断面構成を示すもので、ゲート絶縁膜15はソース/ドレイン領域3a,3aの一方側がゲート絶縁膜6と同程度の膜厚に設定され、他方側がゲート絶縁膜7と同程度の膜厚となるように一方側から他方側に向けて変化するように形成されている。
FIG. 7B shows a cross-sectional configuration of the
図7(c)は、モニタMOSFET16の断面構成を示している。この構成では、シリコン単結晶層3のゲート部分に突起部3bが形成されている。ゲート絶縁膜17は、シリコン単結晶層3の突起部3bを覆うように形成され、突起部3bにおける膜厚がゲート絶縁膜7の膜厚と同程度に形成されている。
FIG. 7C shows a cross-sectional configuration of the
図8(a)は、モニタMOSFET18の断面構成を示している。この構成では、ゲート絶縁膜19は、ソース/ドレイン領域3a,3aの一方側がゲート絶縁膜6と同程度の膜厚に設定され、他方側がゲート絶縁膜7と同程度の膜厚となるように設定され、途中に段差が形成された状態である。
FIG. 8A shows a cross-sectional configuration of the
図8(b)は、モニタMOSFET20の断面構成を示している。この構成では、シリコン単結晶層3のゲート部分に小突起21が複数個形成されている。ゲート絶縁膜22は、シリコン単結晶層3の小突起21を覆うように形成され、突起部3bにおける膜厚がゲート絶縁膜7の膜厚と同程度に形成されている。
FIG. 8B shows a cross-sectional configuration of the
図8(c)は、MOSFET1とモニタMOSFET2とを一つのシリコン単結晶層3に作り込んだ構成のモニタ部23を設けるものである。この構成では、絶縁膜4で分離するシリコン単結晶層3の大きさを広く形成している。そして、同一の素子島となるシリコン単結晶層3の中に異なる酸化膜厚を持った素子として、MOSFET1とモニタMOSFET2を形成し、モニタMOSFET2をストレス試験の実施確認用として利用する例である。
In FIG. 8C, a
なお、上記した図7、図8に示した変形例では、モニタMOSFET2のゲート絶縁膜7と同等の膜厚となるように各モニタMOSFETのゲート絶縁膜を形成した例として示したが、このようなモニタMOSFETに加えて、ゲート絶縁膜の膜厚が異なる他のモニタMOSFETを1以上設けて、ストレス試験のレベルに応じて異なるモニタMOSFETを用いることでより精度の高いストレス試験の印加状態を判定することもできる。
In the modification shown in FIG. 7 and FIG. 8 described above, the gate insulating film of each monitor MOSFET is formed so as to have a film thickness equivalent to that of the
(第2実施形態)
図9ないし図12は第2実施形態を示すもので、モニタMOSFET2の給電経路に電源電圧Vaよりも低い電圧を印加するために、電圧調整手段を介在させる構成としたものである。電圧調整手段としては、以下に説明するように種々のものを適用することができ、これによって、モニタMOSFET2に印加する電圧を適宜調整してストレス試験の条件を調整することができる。
(Second Embodiment)
9 to 12 show a second embodiment, in which a voltage adjusting means is interposed in order to apply a voltage lower than the power supply voltage Va to the power supply path of the
図9〜図12では電圧調整手段の具体的な構成を示している。図9に示すものは、モニタMOSFET2の給電ラインにpチャンネルMOSFET24をゲート/ドレイン間を短絡させた状態で設けるものである。このような電圧調整手段としてのpチャンネルMOSFET24は、いわゆる負荷MOSFETとして設けるもので、電圧が印加されると常時オン状態となって電流を流す抵抗要素として機能するものである。
9 to 12 show specific configurations of the voltage adjusting means. In FIG. 9, a p-
図10に示すものは、モニタMOSFET2の給電ラインに抵抗25を直接介在させる構成としたものである。電圧調整手段として、抵抗25を介在させることで電圧降下が起こりモニタMOSFET2にはその電圧降下分だけ低い電圧が印加されるようにしたものである。
FIG. 10 shows a configuration in which a
図11に示すものは、モニタMOSFET2の給電ラインに例えば3個のダイオード26a〜26cの直列回路を電圧調整手段として挿入する構成である。1個のダイオード26aの順方向電圧VFは約0.7Vであるから、所望する電圧降下に対応する個数のダイオード26aを直列に接続することで電圧調整をすることができる。
11 shows a configuration in which, for example, a series circuit of three
図12に示すものは、モニタMOSFET2の給電ラインに電圧調整手段としてのツェナーダイオード27を挿入する構成である。これにより、ツェナーダイオード27によるツェナー電圧Vzの分だけ低くした電源電圧をモニタMOSFET2に印加することができる。
FIG. 12 shows a configuration in which a
このような第2実施形態によれば、モニタMOSFET2の給電経路に電圧調整手段として、pチャンネルMOSFET24、抵抗25、ダイオード26a〜26c、ツェナーダイオード27を設ける構成としたので、簡単な構成としながらモニタMOSFET2への印加電圧を調整することができる。これにより、ストレス試験の条件に応じてMOSFET1に印加する電圧Vaに対してモニタMOSFET2に印加する電圧を低く設定することができる。
According to the second embodiment, the p-
なお、このような電圧調整手段を設けることで、モニタMOSFET2のゲート絶縁膜7の膜厚との関係で耐圧や耐久性などを考慮してストレス試験の条件に適合するように印加電圧を調整する手段として用いることもできる。
By providing such voltage adjusting means, the applied voltage is adjusted so as to meet the stress test conditions in consideration of the withstand voltage and durability in relation to the film thickness of the
また、上記した電圧調整手段としてのpチャンネルMOSFET24、抵抗25、ダイオード26a〜26c、ツェナーダイオード27は、いずれのものを用いることもできるし、組み合わせて設けることもできる。さらに、第1実施形態のいずれの構成のものとも組み合わせて用いることができる。
In addition, any of the p-
(第3実施形態)
図13は第3実施形態を示すもので、第1実施形態と異なるところは、インバータ回路10に代えて、切離回路として給電経路にpチャンネルMOSFET28を設ける構成としたところである。MOSFET28のゲートにロウレベルのゲート信号を与えることでモニタMOSFET2に給電し、ハイレベルのゲート信号を与えることで断電して電源から切離す。
(Third embodiment)
FIG. 13 shows the third embodiment. The difference from the first embodiment is that a p-
また、この構成では、モニタMOSFET2のゲートに対してもpチャンネルMOSFET29aを接続すると共に、放電経路として抵抗29bを設けた構成としている。MOSFET29aにロウレベルのゲート信号を与えてオンさせることでモニタMOSFET2にゲート信号を与えてオンさせ、ハイレベルのゲート信号を与えてオフさせることでモニタMOSFET2をオフさせる構成である。
このような第3実施形態によっても第1実施形態および第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
In this configuration, the p-
Even in the third embodiment, the same effects as those in the first embodiment and the second embodiment can be obtained.
(第4実施形態)
図14は第4実施形態を示すもので、第1実施形態と異なるところは、モニタMOSFET2に代えて、モニタ用のpチャンネルMOSFET30aおよびnチャンネルMOSFET30bからなるインバータ回路30を設ける構成としたものである。これは、ストレス試験の対象として、pチャンネルMOSFETおよびnチャンネルMOSFETの劣化状態を判定する場合に、同等の構成で且つゲート絶縁膜を薄く形成したモニタ用のMOSFET30a、30bを設けることでストレス試験の実施を確実に判定しようとするものである。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 shows the fourth embodiment, which is different from the first embodiment in that an
これにより、CMOSタイプの半導体装置あるいはpチャンネルMOSFETおよびnチャンネルMOSFETが混在する構成の半導体装置においても、同様にしてストレス試験を実施したことを確実に判定することができる。 This makes it possible to reliably determine that the stress test has been performed in the same manner even in a CMOS type semiconductor device or a semiconductor device having a configuration in which p-channel MOSFETs and n-channel MOSFETs are mixed.
なお、ストレス試験の方式として、モニタ用のpチャンネルMOSFET30aあるいはnチャンネルMOSFET30bのいずれか一方だけを使用した場合には、半導体装置に組み込まれたpチャンネルMOSFETあるいはnチャンネルMOSFETの劣化を判定することができる。
When only one of the monitor p-
(第5実施形態)
図15〜図17は第5実施形態を示すもので、ゲートへの電圧を変更する手段を設ける構成の実施形態である。なお、これらの図に示すものでは、第4実施形態で示したモニタ用のインバータ回路30を設ける構成の場合で示している。
(Fifth embodiment)
15 to 17 show a fifth embodiment, which is an embodiment having a configuration in which means for changing the voltage to the gate is provided. In these drawings, the
図15では、異なる電源電圧VaおよびVb(<Va)のそれぞれをインバータ回路30のゲート入力として切り替えることができるように構成している。インバータ回路30のゲート入力として、電源電圧Vaを給電する経路には第1実施形態と同様のインバータ回路11が設けられるとともに逆流防止用のダイオード31が設けられている。電源電圧Vbを給電する経路には、インバータ回路32が設けられるとともに逆流防止用のダイオード33が直列に設けられている。
In FIG. 15, different power supply voltages Va and Vb (<Va) can be switched as gate inputs of the
このような構成とすることで、モニタ用のインバータ回路30のゲート入力として、電源電圧Vaを印加するときには、インバータ回路11のゲート入力をロウレベルに設定することでpチャンネルMOSFETをオンさせる。これにより、インバータ回路30のゲート入力には電源電圧Vaからダイオード31の順方向電圧VFだけ下がった電圧が印加される。なお、インバータ回路32のゲート入力がハイレベルとされ、pチャンネルMOSFETはオフ状態、nチャンネルMOSFETはオン状態となるが、逆流阻止ダイオード33が設けられているので、インバータ回路30にゲート入力を与えることができる。
With this configuration, when the power supply voltage Va is applied as the gate input of the
一方、モニタ用のインバータ回路30のゲート入力として、電源電圧Vbを印加するときには、インバータ回路32のゲート入力をロウレベルに設定することでpチャンネルMOSFETをオンさせる。これにより、インバータ回路30のゲート入力には電源電圧Vbからダイオード33の順方向電圧VFだけ下がった電圧が印加される。なお、インバータ回路11のゲート入力がハイレベルとされ、pチャンネルMOSFETはオフ状態、nチャンネルMOSFETはオン状態となるが、逆流阻止ダイオード31が設けられているので、インバータ回路30にゲート入力を与えることができる。
On the other hand, when the power supply voltage Vb is applied as the gate input of the
図16では、一つの電源電圧Vaを用いて、その給電経路に電圧調整回路34を設ける構成である。インバータ回路30のゲート入力は、電源電圧Vaをインバータ回路11によりオンオフの切り替えを行なって与える。インバータ回路11の出力段からインバータ回路30のゲート入力に至る経路に電圧調整回路34が介在される。電圧調整回路34は、給電方向に向かってダイオード35、36が順方向に直列に接続され、逆方向すなわちゲート電荷の放電方向に向かってダイオード37が順方向に接続されている。また、電圧を調整する構成として、ダイオード35の両端子間を短絡するスイッチ38が設けられている。
In FIG. 16, the
この構成によれば、スイッチ38をオフ状態に設定したときには、2個のダイオード35、36の順方向電圧VFの和の電圧だけ下がった電圧がインバータ回路30のゲート入力として与えられる。また、スイッチ38をオン状態に設定したときには、ダイオード35が短絡状態となるので、ダイオード36の順方向電圧VFだけ下がった電圧がインバータ回路30のゲート入力として与えられる。
According to this arrangement, when the
なお、ダイオード37は、インバータ回路11にオンオフの動作信号を入力してモニタ用のインバータ回路30をオンオフ動作させるストレス試験を実施する際に、pチャンネルMOSFETがオフ、nチャンネルMOSFETがオンとなったときに、ゲートに蓄積された電荷を、ダイオード37を介してnチャンネルMOSFETから放電させるものとして機能する。
In the
図17では、上記同様に、一つの電源電圧Vaを用いて、その給電経路に電圧調整回路39を設ける構成である。インバータ回路30のゲート入力は、電源電圧Vaをインバータ回路11によりオンオフの切り替えを行なって与える。インバータ回路11の出力段からインバータ回路30のゲート入力に至る経路に電圧調整回路39が介在される。電圧調整回路39は、異なる電圧を生成する第1分圧回路40、第2分圧回路41からなり、いずれかを有効状態にしてゲート入力を与える。
In FIG. 17, similarly to the above, a single power supply voltage Va is used and a
第1分圧回路40は、分圧抵抗40a、40bおよびスイッチ40c、40dからなる。第2分圧回路41は、分圧抵抗41a、41bおよびスイッチ41c、41dからなる。スイッチ40cおよび40dをオン状態とし、スイッチ41c、41dをオフ状態として第1分圧回路40を有効化させ、分圧抵抗40bに発生する電圧をモニタ用のインバータ回路30のゲート入力として与える。また、スイッチ41cおよび41dをオン状態とし、スイッチ40c、40dをオフ状態として第2分圧回路41を有効化させ、分圧抵抗41bに発生する電圧をモニタ用のインバータ回路30のゲート入力として与える。
The first
これにより、いずれかの分圧回路40、41を有効化させることでモニタ用のインバータ回路30に対する異なる電圧のゲート入力を与えることができ、また、ゲート電荷の放電経路を形成することができる。
Accordingly, by enabling any one of the
このような第5実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果を得る事ができるとともに、モニタ用のインバータ回路30に対して異なる電圧のゲート入力を設定することができ、様々な条件でストレス試験を実施することができる。
According to the fifth embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and gate inputs of different voltages can be set for the
なお、図15の構成では、2つの異なる電源電圧Va、Vbをインバータ回路11、32によりゲート入力として印加可能な構成としたが、3以上の異る電源電圧を設定して、それぞれに対応するインバータ回路を設けることもできる。
In the configuration of FIG. 15, two different power supply voltages Va and Vb can be applied as gate inputs by the
同様に、図16の構成では、2個のダイオード35、36を設ける構成の電圧調整回路34としたが、3個以上のダイオードを設ける構成としても良い。また、各ダイオードに短絡用のスイッチを設けることで、それらのスイッチをオンオフ制御することで順方向電圧VFを何段設けるかを変えることができ、これによって異なる電圧をゲート入力として設定することができる。
Similarly, in the configuration of FIG. 16, the
図17の構成では、2個の分圧回路40、41を設ける電圧調整回路39を設ける構成としたが、同様の目的で、3個以上の異なる電圧を発生可能な分圧回路を設ける構成とすることができる。
In the configuration of FIG. 17, the
(他の実施形態)
なお、本発明は、上述した一実施形態のみ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の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited only to one embodiment mentioned above, It can apply to various embodiment in the range which does not deviate from the summary, For example, it can deform | transform or expand as follows. .
モニタMOSFET2などのモニタ素子のゲート絶縁膜は、対象素子のストレス試験と同じストレス試験を受けることで、劣化状態となる程度の膜厚に形成しても良いし、破壊に至る程度の膜厚に形成しても良い。劣化状態あるいは破壊状態の判定を行える程度に設定することで確実にストレス試験の実施を判定できる。
The gate insulating film of the monitor element such as the
モニタ素子として、モニタMOSFET2、12、14、16、18、20を例示したが、これ以外にも、部分的あるいは全体として対象素子のストレス試験を経ることで劣化もしくは破壊に至るゲート絶縁膜を設けることで確実に判定動作を行うことができる。
Although the
ストレス試験の実施の仕方は、実施形態で示したもの以外に、種々の適用方法があり、いずれの場合においても、最終段階でモニタ素子の劣化状態あるいは破壊状態を判定することでストレス試験の実施を確実に判定することができる。
上記各実施形態は、適宜組み合わせて適用することができ、複合的な実施形態を採用することができる。
There are various application methods for the stress test in addition to those shown in the embodiment. In any case, the stress test is performed by determining the deterioration state or the destruction state of the monitor element in the final stage. Can be reliably determined.
Each of the above embodiments can be applied in combination as appropriate, and a composite embodiment can be adopted.
図面中、1はMOSFET(対象素子)、2、12、14、16、18、20はモニタMOSFET(モニタ素子)、6、7、13、15、17、19、22はゲート絶縁膜、10はインバータ回路(切離回路)、11はインバータ回路、24はpチャンネルMOSFET(電圧調整手段)、25は抵抗(電圧調整手段)、26a〜26cはダイオード(電圧調整手段)、27はツェナーダイオード(電圧調整手段)、28はpチャンネルMOSFET(切離回路)、30はインバータ回路(モニタ素子)、32はインバータ回路、34、39は電圧調整回路(印加電圧切替手段)である。 In the drawings, 1 is a MOSFET (target element), 2, 12, 14, 16, 18, 20 are monitor MOSFETs (monitor elements), 6, 7, 13, 15, 17, 19, 22 are gate insulating films, 10 is Inverter circuit (separation circuit), 11 is an inverter circuit, 24 is a p-channel MOSFET (voltage adjusting means), 25 is a resistor (voltage adjusting means), 26a to 26c are diodes (voltage adjusting means), 27 is a zener diode (voltage) Adjustment means), 28 is a p-channel MOSFET (separation circuit), 30 is an inverter circuit (monitor element), 32 is an inverter circuit, and 34 and 39 are voltage adjustment circuits (application voltage switching means).
Claims (15)
前記対象素子の前記ゲート酸化膜よりも薄い膜厚のゲート酸化膜を備え前記対象素子に対する電気的ストレス試験を受けると劣化するモニタ素子と、
前記モニタ素子に対して前記電気的ストレス試験後に分離可能な切離回路とを備えたことを特徴とする半導体装置。 A target element including a gate oxide film formed on a semiconductor substrate;
A monitor element that includes a gate oxide film that is thinner than the gate oxide film of the target element and that deteriorates when subjected to an electrical stress test on the target element;
A semiconductor device comprising: a separation circuit that can be separated from the monitor element after the electrical stress test.
前記切離回路は、前記モニタ素子に対して、ストレス印加時には高電圧を供給し、ストレス非印加時には低電圧を供給する電圧印加回路を備えることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the disconnection circuit includes a voltage application circuit that supplies a high voltage to the monitor element when stress is applied and supplies a low voltage when no stress is applied.
前記切離回路は、前記電圧印加回路から前記モニタ素子に対する給電経路に電圧調整手段を介在させた構成であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the disconnecting circuit has a configuration in which voltage adjusting means is interposed in a power supply path from the voltage applying circuit to the monitor element.
前記電圧調整手段は、負荷MOSFETであることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the voltage adjusting means is a load MOSFET.
前記切離回路は、前記モニタ素子と相補的な導電型を有するMOSFETを備え、モニタ用インバータ回路を構成していることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the separation circuit includes a MOSFET having a conductivity type complementary to the monitor element, and constitutes a monitor inverter circuit.
前記切離回路は、前記モニタ素子に対して異なる電圧を印加可能な印加電圧切替手段を備えたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the disconnecting circuit includes an applied voltage switching unit capable of applying a different voltage to the monitor element.
前記印加電圧切替手段は、外部から異なる電源電圧を供給され、これを選択的に切り替えて前記モニタ素子に給電することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6.
The applied voltage switching means is supplied with a different power supply voltage from the outside, selectively switches the power supply voltage, and supplies power to the monitor element.
前記印加電圧切替手段は、外部から供給される電源電圧をダイオードを順方向に介して前記モニタ素子に給電することで電圧を切替えることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6.
The applied voltage switching means switches the voltage by supplying a power supply voltage supplied from the outside to the monitor element through a diode in the forward direction.
前記印加電圧切替手段は、端子電圧が異なる複数の分圧回路を備え、外部から供給される電源電圧を前記複数の分圧回路を切り替えて前記モニタ素子に給電することで電圧を切替えることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6.
The applied voltage switching means includes a plurality of voltage dividing circuits having different terminal voltages, and switches the voltage by supplying a power supply voltage supplied from the outside to the monitor element by switching the plurality of voltage dividing circuits. A semiconductor device.
前記モニタ素子は、前記ゲート酸化膜が前記対象素子のゲート酸化膜に対して一様に薄く形成された構成であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The monitoring device has a structure in which the gate oxide film is formed to be uniformly thinner than the gate oxide film of the target element.
前記モニタ素子は、前記ゲート酸化膜が前記対象素子のゲート酸化膜よりも薄い部分が形成された構成であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the monitor element has a structure in which the gate oxide film is thinner than the gate oxide film of the target element.
前記モニタ素子は、ゲート酸化膜の膜厚が異なる複数のものが形成された構成であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the monitor elements having different gate oxide film thicknesses are formed.
前記ストレス試験の後に前記モニタ素子が劣化していることで前記対象素子に正常にストレス試験が実施されたことを判定することを特徴とする半導体装置の試験方法。 A target element having a gate oxide film formed on a semiconductor substrate and a monitor element having a gate oxide film thinner than the gate oxide film of the target element and deteriorating when subjected to an electrical stress test on the target element And a test method for a semiconductor device comprising a disconnecting circuit separable after the electrical stress test with respect to the monitor element,
A test method for a semiconductor device, comprising: determining that a stress test has been normally performed on the target element because the monitor element has deteriorated after the stress test.
前記モニタ素子が劣化していることを検出するためのIDDQ(静止状態電源電流)測定を実施することを特徴とする半導体装置の試験方法。 The method for testing a semiconductor device according to claim 13,
A test method for a semiconductor device, comprising performing IDDQ (stationary state power supply current) measurement for detecting that the monitor element is deteriorated.
前記ストレス試験は、複数の試験を時系列的に組み合わせた試験として実施し、
前記ストレス試験の後に前記モニタ素子が劣化していることで前記対象素子に正常に複数の試験を組み合わせたストレス試験が実施されたことを判定することを特徴とする半導体装置の試験方法。 The semiconductor device testing method according to claim 13 or 14,
The stress test is performed as a test in which a plurality of tests are combined in time series,
A test method for a semiconductor device, comprising: determining that a stress test in which a plurality of tests are normally combined with the target element has been performed because the monitor element has deteriorated after the stress test.
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JP2018205252A (en) * | 2017-06-08 | 2018-12-27 | 富士電機株式会社 | Method for selecting silicon carbide semiconductor device |
WO2020073625A1 (en) * | 2018-10-10 | 2020-04-16 | 深圳市崧盛电子股份有限公司 | Device for testing electrical stress of pdfn package mos transistor, and switching power supply |
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