JP2020513567A - 静電気放電の回数を検出するための装置および方法 - Google Patents
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Abstract
放電保護機構(103、203、303、403)を備えた、静電気放電の回数を検出するための装置(100、200、300、400)において、検出ユニット(107、207、307、407)が、放電保護機構(103、203、303、403)に対して電気的に並列に配置されており、かつ検出ユニット(107、207、307、407)が少なくとも1つのメモリブロック(106、206、306、406)を含んでおり、このメモリブロック(106、206、306、406)がリセット入力部(113、213、313)を有していることを特徴とする、装置(100、200、300、400)。
Description
本発明は、静電気放電の回数を検出するための装置および方法に関する。
集積回路は、異なる材料から成る多数の構造物を内包している。構造物サイズがますます小さくなることにより、これらの構造物のストレスへの敏感さが大幅に増している。
ストレスの1つの種類は、チップ内のまたはチップを通る静電気放電ESDである。静電気放電ESDは、異なる電子親和力をもつ材料の2つの面が互いに接触する際に、電荷分離および電荷蓄積によって生じる。小さな部品が、機械またはパッケージから滑り落ちる際に既に静電気帯電が生じる。
ストレスの1つの種類は、チップ内のまたはチップを通る静電気放電ESDである。静電気放電ESDは、異なる電子親和力をもつ材料の2つの面が互いに接触する際に、電荷分離および電荷蓄積によって生じる。小さな部品が、機械またはパッケージから滑り落ちる際に既に静電気帯電が生じる。
このような静電気帯電は、部品を数千Vにまで帯電させる。昨今のASIC内の部品および構造物の故障は、技術によっては既に1Vの電圧から発生し得る。
静電気放電は比較的頻繁に発生する。それにもかかわらずチップの製造または加工を可能にするため、ICの入力部で電圧をクランプ、つまり制限する構造物を、ASIC内に取り付ける。
静電気放電は比較的頻繁に発生する。それにもかかわらずチップの製造または加工を可能にするため、ICの入力部で電圧をクランプ、つまり制限する構造物を、ASIC内に取り付ける。
いわゆるESDクランプは、電荷キャリアを導出するため、蓄積した電荷に低抵抗の経路を提供する。これによりASICの敏感な構造物が高い電圧および電流から保護される。
このESDクランプにもかかわらず、静電気放電はASICに対するストレスを意味する。ESDクランプは、可能な限り経済的に寸法決定されており、その点でESDクランプは既に比較的大きな面積を有している。ESDクランプの設置サイズは、回路全体のサイズの最大30%であり、この設置サイズは、回路に想定される静電気放電の強さに左右される。この理由から、たいていのESD構造物は限られた回数の放電にしか持ちこたえず、その後はASICを十分には保護できなくなる。加えてESDクランプは、ASICをその仕様の枠内でのみ過電圧から保護するよう寸法決定されている。つまり予想外に高い、短期的にASICに印加される電圧は、それでもなお部品を破壊する可能性がある。
文献F.AltolaguirreおよびM.Ker(2013)、Power−Rail ESD Clamp Circuit With Diode−String ESD Detection to Overcome the Gate Leakage Current in a 40−nm CMOS Process、IEEE Transactions on Electron Devices、vol.60、issue 10、3500〜3507ページは、比較的低い作動電流による放電時に放電保護回路をアクティブにできるような、静電気放電の認識を記載している。このやり方でクランプの面積を小さくすることができる。
文献M.Kerら(2010)、On−Chip ESD Detection Circuit for System−Level ESD Protection Design、10th IEEE conference on Solid−State and Integrated Circuit Technology ICSICT、1584〜1587ページは、TFT−LCディスプレイの回路を確実な状態にし得るために動作中に検出されるESDイベントまたは一時的な信号を記載している。
文献H.Sungら(2010)、Design of Toroidal Current Probe Embedded in Multi−layer Printed Circuit Boards for Electrostatic Discharge ESD Detection、IEEE Electrical Design of Advanced Package and Systems Symposium、1〜4ページは、組み込んだ電気コイルでESDイベントを検出できることを記載している。これは、架線電流計を用いた測定によって証明されている。
文献W.KuhnおよびR.Eatinger(2011)、BUILT−IN SELF−TEST IN INTEGRATED CIRCUITS−ESD EVENT MITIGATION AND DETECTION」、Master Thesis an der Kansas State University Abschluss 2011は、一種の安全装置の溶融による動作中のESDイベントまたは一時的な信号の検出を記載している。このために、ESD結合ダイオードに細い導線を並列接続し、この導線がESDストレス下で破壊される。この破壊は可逆的ではないので、情報の記憶を表す。したがってこの検出機能は、すべての条件下で確約できるものではない。並列接続された細い導線の破壊は、ASICに悪影響を及ぼす可能性がある。
静電気帯電の検出を1回しか実施できないことは不利である。つまりこの方法は、たった1回の放電しか検出できないので、確実ではない。さらなる静電気放電の際には、ASICが損傷を受ける可能性がある。そのうえチップ上の大きな面積を必要とする。
本発明の課題は、静電気放電の回数を確実に捕捉することである。
静電気放電の回数を検出するためのこの装置は、放電保護機構を含んでいる。本発明によれば検出ユニットは、放電保護機構に対して電気的に並列に配置または接続されている。検出ユニットは少なくとも1つのメモリブロックを含んでおり、このメモリブロックはリセット入力部を有している。
これに関する利点は、検出ユニットを複数回使用することができ、必要なメモリセルの数が少なく、したがって検出ユニットが小さなスペースしか占領しないことである。
一変形形態では、検出ユニットが、リニアレギュレータを含むエネルギーブロックを有している。
一変形形態では、検出ユニットが、リニアレギュレータを含むエネルギーブロックを有している。
これに関して有利なのは、メモリブロックに送られる電荷量が一定に保たれることである。言い換えれば、メモリブロックでの電圧は制限されている。
さらなる一形態では、検出ユニットがスイッチ手段を有している。このスイッチ手段は、とりわけ、ダイオードとして接続されているかまたはダイオードとして機能するNMOSトランジスタを含んでいる。
さらなる一形態では、検出ユニットがスイッチ手段を有している。このスイッチ手段は、とりわけ、ダイオードとして接続されているかまたはダイオードとして機能するNMOSトランジスタを含んでいる。
これに関する利点は、静電気放電の認識が、特定の電圧上昇から初めて行われることである。
一変形形態では、スイッチ手段が、放電保護機構とメモリブロックとの間に配置されている。
一変形形態では、スイッチ手段が、放電保護機構とメモリブロックとの間に配置されている。
さらなる一形態では、エネルギーブロックが第1の出力部および第2の出力部を有しており、この第1の出力部と第2の出力部との間にコンデンサが配置されている。
これに関する利点は、面積の小さなコンデンサを使用できることである。
これに関する利点は、面積の小さなコンデンサを使用できることである。
一変形形態では、メモリブロックが第1の端子および第2の端子を有しており、この第1の端子と第2の端子との間にタイマが配置されている。
これに関して有利なのは、メモリセルに書き込み得ることである。言い換えれば、プログラミングピンの放電が起こる。
これに関して有利なのは、メモリセルに書き込み得ることである。言い換えれば、プログラミングピンの放電が起こる。
さらなる一形態では、検出ユニットが評価ユニットを有している。
これに関する利点は、静電気放電パルス中にメモリセルを読み取り得ることである。
一変形形態では、検出ユニットがカウンタを含んでいる。
これに関する利点は、静電気放電パルス中にメモリセルを読み取り得ることである。
一変形形態では、検出ユニットがカウンタを含んでいる。
これに関して有利なのは、保護されたピンで発生する静電気放電パルスの回数を、放電保護機構によって捕捉できることである。
さらなる一形態では、検出ユニットが少なくとも1つの双安定マルチバイブレータを含んでいる。
さらなる一形態では、検出ユニットが少なくとも1つの双安定マルチバイブレータを含んでいる。
これに関する利点は、メモリセルの評価が無通電で行われることである。
静電気放電の回数を検出するための本発明による方法は、放電保護機構に印加される電圧の捕捉を含んでいる。捕捉した電圧に応じて、検出ユニットの入力電圧を生成する。検出ユニットのスイッチ手段をアクティブにし、かつメモリブロックの少なくとも1つのメモリセルに書き込む。静電気放電の回数を捕捉する。
静電気放電の回数を検出するための本発明による方法は、放電保護機構に印加される電圧の捕捉を含んでいる。捕捉した電圧に応じて、検出ユニットの入力電圧を生成する。検出ユニットのスイッチ手段をアクティブにし、かつメモリブロックの少なくとも1つのメモリセルに書き込む。静電気放電の回数を捕捉する。
これに関して有利なのは、静電気放電の回数を簡単に捕捉できることである。
一変形形態では、評価ユニットが、静電気放電パルスの発生中にメモリブロックの少なくとも1つのメモリセルの状態を読み取る。
一変形形態では、評価ユニットが、静電気放電パルスの発生中にメモリブロックの少なくとも1つのメモリセルの状態を読み取る。
これに関する利点は、静電気放電パルスのエネルギーを蓄えるための中間蓄積コンデンサが必要なく、したがって検出ユニットの所要スペースが小さいことである。
そのほかの利点は、以下の例示的実施形態の説明から、または従属特許請求項から明らかである。
そのほかの利点は、以下の例示的実施形態の説明から、または従属特許請求項から明らかである。
以下では、好ましい実施形態および添付の図面に基づいて本発明を説明する。
図1は、静電気放電の回数を検出するための装置100のブロック図を示している。装置100は、第1の端子101および第2の端子102を含んでおり、これらの端子は放電保護機構103と電気的に結合している。この放電保護機構103は、ASICの少なくとも1つの部品端子、例えば第1の端子101と導電性に結合しているASICの部品端子を、過電圧から保護する。この場合、ASICの接地パッドは、典型的には第2の端子102と導電性に結合している。検出ユニット107は、放電保護機構103に対して電気的に並列に配置または接続されている。つまり検出ユニット107は、静電気放電パルスを認識または捕捉する。検出ユニット107は、エネルギーブロック104およびメモリブロック106を含んでおり、このメモリブロックは少なくとも1つのメモリセルを有している。エネルギーブロック104は、第1の入力部108、第2の入力部109、および第1の出力部110を含んでいる。エネルギーブロック104の第2の入力部109は、例えば接地と結合している。メモリブロック106は、第1の入力部111、第2の入力部112、リセット入力部113、第1の出力部114、および第2の出力部115を含んでいる。メモリブロック106の第2の入力部112は、例えば接地と結合している。エネルギーブロック104の第1の出力部110は、メモリブロック106の第1の入力部111と導電性に結合している。メモリブロック106の第1の出力部114は、メモリブロック106の第2の出力部115に対して逆になっている。代替策としては、メモリブロック106の第1の出力部114が、メモリブロックの第2の出力部115に対して逆になっていない。
図2は、エネルギーブロック204の等価回路図を含む、静電気放電の回数を検出するための装置を示している。エネルギーブロック204は、放電保護機構203とメモリブロック206との間に配置されており、このメモリブロック206は例示的に1つのメモリセルを含んでいる。エネルギーブロック204は、抵抗216とツェナーダイオード217とを有するリニアレギュレータを含んでいる。エネルギーブロック204はこれに加えてスイッチ手段218およびコンデンサ219を有している。スイッチ手段218は、例えば、ダイオードとして配線または接続されたNMOSトランジスタを含んでいる。この場合、抵抗216はリニアレギュレータの出力電流を制限する。ツェナーダイオード217はコンデンサ219のコンデンサ電圧を制限する。コンデンサ219は占有面積が小さく、メモリ工程中の電圧の安定化に用いられる。この場合、リニアレギュレータの役割は、静電気放電パルスの発生期間中に、メモリブロック206の第1の入力部211に、設定された電圧を提供することである。メモリセルまたはメモリブロックのプログラミングには、典型的には少なくとも10Vの電圧が必要である。メモリセルにプログラミングまたは書き込みし得るためには、設定された電圧を、特定の期間、メモリブロック206の第1の入力部211に印加しなければならない。これはタイマ220を使って実現され、このタイマ220は、メモリブロック206の第1の入力部211とメモリブロック206の第2の入力部212との間に配置されている。タイマ220によって調整される特定の期間は、例えば10msである。メモリブロック206は、メモリブロック206のメモリセルを消去できるリセット入力部213を含んでいる。メモリブロック206の第1の入力部211およびリセット入力部は、メモリセルのメモリ状態を表示する。論理上の「1」がメモリセルの第1の入力部に印加されている場合、メモリセルはプログラミングされる。論理上の「1」がリセット入力部に印加されている場合、メモリセルは書き込まれない。これらの両方の入力部は、互いに常に逆の状態にある。メモリブロック206は、第1の出力部214および第2の出力部215をさらに含んでおり、これらの出力部は、メモリブロック206の状態を出力もしくは表示し、または表す。メモリブロック206が複数のメモリセルを含んでいる場合、メモリブロック206は、メモリブロックのすべのメモリセルのために共通のリセット入力部を有しているか、または各々のメモリセルのためにそれぞれ1つのリセット入力部を有している。
図3は、評価ユニット305を備えた、静電気放電の回数を検出するための装置300のブロック図を示している。装置300は、第1の端子301および第2の端子302を含んでおり、これらの端子は、放電保護機構303と電気的に結合している。検出ユニット307は、放電保護機構303に対して電気的に並列に接続されている。検出ユニット307は、エネルギーブロック304、評価ユニット305、およびメモリブロック306を含んでいる。メモリブロック306は、この例示的実施形態では少なくとも2つのメモリセルを含んでいる。評価ユニット305の役割は、静電気放電パルス中にメモリセルを評価することである。言い換えれば、評価ユニット305は静電気放電パルス中にメモリセルの状態を読み取ることができる。複数のメモリセルが存在しているので、静電気放電パルスの回数を確定することができる。
図4は、2回の放電を捕捉するための装置400のブロック図を示している。装置400は、第1の入力部401、第2の入力部402、放電保護機構403、ならびにエネルギーブロック404およびメモリブロック406を有している。メモリブロック406は、この例示的実施形態では2つのメモリセルを含んでいる。これに加えて装置400はレベルシフタ421を有しており、レベルシフタ421は、エネルギーブロック404の第1の出力部およびエネルギーブロック404の第2の出力部に対して並列に接続されている。レベルシフタ421は、メモリブロック406の第1の入力部411のためのプログラミング電圧を提供する。これに関し、プログラミング電圧の概念の下、メモリセルに書き込み得るために必要な電圧が理解される。そのうえ装置400は、評価ユニット用の電圧を生成するための分圧器422を有している。評価ユニットの電圧は<5Vの範囲内である。これに加えて装置400は、読み取り信号を生成するための回路423およびメモリセルの状態を評価するための双安定マルチバイブレータまたはフリップフロップ424を含んでいる。既に図2で示したように、エネルギーブロック404は、抵抗、ツェナーダイオード、ダイオードとして接続されたMosfetトランジスタ、およびコンデンサを含んでいる。このエネルギーブロック404は、ESDパルス中に放電保護機構403に印加される電圧をより低い電圧に変換し、これにより、メモリブロック406のメモリセルにプログラミングすることができる。典型的なプログラミング電圧は20Vである。エネルギーブロック404の出力部は、評価ユニットの供給電圧を生成するための分圧器422と結合しており、この評価ユニットは、フリップフロップまたは双安定マルチバイブレータによって実現されている。つまり評価ユニットは、メモリセルのプログラミングおよび評価を制御する。評価ユニットは、例えばとりわけ3.5Vの供給電圧を必要とする。評価ユニットにこの供給電圧が供給されると、評価ユニットの読み取り入力部に電圧が印加され、この電圧が、メモリセルの状態を表示する論理信号を発生させる。メモリセルを読み取る際、読み取り信号を表すこの論理信号は、供給電圧より時間的に後にずれてフリップフロップに印加されなければならない。この時間的なずれは、図5でより詳しく説明する回路423によってもたらされる。フリップフロップの使用により、メモリセルの評価はほぼ無通電で行われる。つまり検出ユニット407に負荷がかからず、すなわち検出ユニットから電流が引き出されない。フリップフロップの生成された論理信号を使って、この回路は、評価したメモリセルにプログラミングするべきかどうか、またはさらなるメモリセルを評価しなければならないかどうかを制御する。第1のまだ書き込まれていないメモリセルは、エネルギーブロックによって生成されるプログラミング電圧を介して永続的にプログラミングされる。さらなるメモリセルの評価にはレベルシフタ回路421が必要である。このレベルシフタ421を図6に示している。
図5は、図4からのブロック423の等価回路図を示している。この回路は、第1の入力部531、第2の入力部532、第1のコンデンサ533、第2のコンデンサ534、抵抗535、PMOSトランジスタ536、NMOSトランジスタ537、コンデンサ538、第1の出力部539、および第2の出力部540を有している。この回路の入力部と結合している第1のコンデンサ533および第2のコンデンサ534により、NMOSトランジスタ537で供給電圧が増加する際にPMOSトランジスタ536を切り替えるために必要な期間を調整することができる。PMOSトランジスタ536は、切り替わった状態では供給電圧を評価回路の読み取り入力部と結合する。
図6は、第1のメモリセルを評価した後で、さらなるメモリセルにプログラミング電圧を印加するためのレベルシフタ回路600を示している。レベルシフタ回路600は、第1の入力部641、第2の入力部642、PMOSトランジスタ644、ダイオードとして接続されたNMOSトランジスタ645、PMOSトランジスタ644を制御するためのNMOSトランジスタ646、フィルタコンデンサ647、第1の出力部648、および第2の出力部649を含んでいる。後のプログラミング工程では、このさらなるメモリセルに書き込む。レベルシフタ600の第1の入力部641に印加される速い電圧エッジは、遮断されているPMOSトランジスタ644を介した電荷キャリアの結合の原因となり、したがってレベルシフタ600の第1の出力部648では、この高周波の障害をフィルタリングするフィルタコンデンサ647が必要である。ダイオードとして接続されたNMOSトランジスタ645は、プログラミング電圧がフィルタコンデンサ647を介して早くても設定された時間後にようやく放電されるようにする。
図7は、静電気放電の回数を検出するための方法700を示している。方法700は、放電保護機構に印加される電圧の捕捉710でスタートする。この電圧が、放電保護機構によって設定された閾値を超えると、後のステップ720で、検出ユニットに印加される入力電圧を生成する。言い換えれば、静電気放電パルスが発生すると、放電保護機構が反応し、これにより検出ユニット用の入力電圧が提供される。エネルギーブロックでは、入力電圧が例えば分圧器によって下げられ、これにより検出ユニット内での電圧は、個々の部品を保護し、または破壊しない。典型的には、放電保護機構は約50Vの閾値から反応する。この電圧は、放電保護機構により例えば20Vの電圧値に下げられる。閾値を超えない場合、この方法を終了するかまたは改めてステップ710でスタートする。後のステップ730では、スイッチ手段に十分に電圧が印加されると、検出ユニットのスイッチ手段がアクティブになる。言い換えれば、検出ユニットの残り、つまり少なくともメモリブロックがアクティブになる。後のステップ740では、メモリブロックの少なくとも1つのメモリセルが書き込まれる。後のステップ760では、静電気放電の回数が、例えば制御ユニットによってカウントまたは捕捉される。
ステップ740とステップ760との間で実施される任意のステップ750では、評価ユニットが、静電気放電パルスの発生中にメモリブロックの少なくとも1つのメモリセルの状態を読み取ることができる。言い換えれば、すべてのスイッチ工程または評価工程を、典型的には100nsの期間である静電気放電パルスの発生中に行う。任意で、評価ユニットは、存在するメモリセルのメモリ状態に応じて、次にプログラミングするべきかもしくはメモリセルのどれをプログラミングするべきか、またはどれを消去するべきか選択することができる。メモリセルの消去はリセット入力部によって行われる。消去は、ESDイベントの検出後に、ASICの機能に欠陥がないことを点検した後で、例えば評価ユニットにより、ASICの通常の動作状態で行われる。点検は、例えば制御機器の追加的なチェックルーチンによって行うことができる。これらのメモリセルは、プログラミングも消去も可能なので、メモリセルの評価を符号化して、例えばバイナリコードで行うことができる。すべてのメモリセルが、静電気放電パルス中にプログラミング、読み取り、または消去される。
Claims (11)
- 放電保護機構(103、203、303、403)を備えた、静電気放電の回数を検出するための装置(100、200、300、400)において、検出ユニット(107、207、307、407)が、前記放電保護機構(103、203、303、403)に対して電気的に並列に配置されており、かつ前記検出ユニット(107、207、307、407)が少なくとも1つのメモリブロック(106、206、306、406)を含んでおり、前記メモリブロック(106、206、306、406)がリセット入力部(113、213、313)を有していることを特徴とする、装置(100、200、300、400)。
- 前記検出ユニット(107、207、307、407)が、リニアレギュレータを含むエネルギーブロック(104、204、304、404)を有していることを特徴とする、請求項1に記載の装置(100、200、300、400)。
- 前記検出ユニット(107、207、307、407)が、スイッチ手段(218)、とりわけNMOSトランジスタを有していることを特徴とする、請求項1または2に記載の装置(100、200、300、400)。
- 前記スイッチ手段(218)が、前記放電保護機構(103、203、303、403)と前記メモリブロック(106、206、306、406)との間に配置されていることを特徴とする、請求項3に記載の装置(100、200、300、400)。
- 前記エネルギーブロック(104、204、304、404)が第1の出力部(108)および第2の出力部(109)を有しており、前記第1の出力部(108)と前記第2の出力部(109)との間にコンデンサ(219)が配置されていることを特徴とする、請求項2〜4のいずれか一項に記載の装置(100、200、300、400)。
- 前記メモリブロック(106、206、306、406)が第1の端子(211)および第2の端子(212)を有しており、前記第1の端子(211)と前記第2の端子(212)との間にタイマ(220)が配置されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置(100、200、300、400)。
- 前記検出ユニット(107、207、307、407)が評価ユニット(305)を有していることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の装置(100、200、300、400)。
- 前記検出ユニット(107、207、307、407)がカウンタを含んでいることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の装置(100、200、300、400)。
- 前記検出ユニット(107、207、307、407)が少なくとも1つの双安定マルチバイブレータを含んでいることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の装置(100、200、300、400)。
- 静電気放電の回数を検出するための方法(700)であって、
・ 放電保護機構に印加される電圧を捕捉するステップ(710)、
・ 捕捉した前記電圧に応じて、前記検出ユニットの入力部電圧を生成するステップ(720)、
・ 前記検出ユニットのスイッチ手段をアクティブにするステップ(730)、および
・ 前記メモリブロックの少なくとも1つのメモリセルに書き込むステップ(740)、および
・ 前記静電気放電の前記回数を捕捉するステップ(760)を有する、方法(700)。 - 評価ユニットが、静電気放電パルスの発生中に前記メモリブロックの少なくとも1つのメモリセルの状態を読み取ることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
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