JP2734416B2

JP2734416B2 - 故障モードの特定方法及び装置

Info

Publication number: JP2734416B2
Application number: JP7186973A
Authority: JP
Inventors: 克真田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-07-24
Filing date: 1995-07-24
Publication date: 1998-03-30
Anticipated expiration: 2015-07-24
Also published as: JPH0933604A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は故障モードの特定方
法及び装置に係り、特にある論理テストパターンを入力
したときにＩｄｄｑと称する論理動作の静止状態におけ
るリーク電流異常が発生するＣＭＯＳ論理回路に発生し
た故障モードを特定する方法及び特定するための装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＣＭＯＳ論理回路に発生した
故障モードの特定方法には、代表的に２つの方法が知ら
れている。１つは完全な故障解析を行う特定方法であ
る。この方法では、まず、論理テストパターンを用いて
故障発生箇所の絞り込みを行い、次に、絞り込んだ故障
箇所の物理解析を行って故障原因を検出する方法であ
る。

【０００３】故障箇所の絞り込みはＥＢテスターと称す
る、電子を大規模集積回路（ＬＳＩ）の配線上に照射
し、発生する２次電子を検出することにより照射点の電
位マップや論理波形を抽出する手法が代表的であった。
また、故障箇所の検出は顕微鏡(ＳＥＭ、光学顕微鏡等)
を用いて、外観観察を行ったり、さらにはレーザ等によ
り所望の層までエッチングして故障箇所を露出させた
り、ＦＩＢと称する集束したイオンビームにより限定し
た箇所の断面出しを行い、観察することにより故障モー
ドを検出していた。

【０００４】もう１つの方法は、エミッション顕微鏡
(以降、ＥＭＳと記す)を用いた方法であり、文献（日本
信頼性学会誌（ＲＥＡＪ）第４回信頼性シンポジウム
(Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．３，１９９１年１月)ｐｐ．７１
〜７６「発光波長分布によるＬＳＩの故障解析手法の検
討」）により提案されている。すなわち、この方法で
は、ＥＭＳにて検出した光量を積算する機能とバンドパ
スフィルタにより任意の光波長帯域だけを通過させるフ
ィルタを組み合わせることにより、各光波長帯域毎の発
光量を測定し、各故障モードに起因したスペクトルを観
察することにより故障モードを推定する方法である。

【０００５】ＥＭＳによるＬＳＩの解析のための装置で
は、ＤＵＴボード上に搭載されたＬＳＩを観察するため
にＬＳＩ上方に置かれた光学顕微鏡により、ＬＳＩの故
障箇所から発する発光を観察する。観察された発光はバ
ンドパスフィルタと称する任意の光波長帯域だけを通過
させるフィルタを介してイメージインテンシファイヤー
と称するフォトン増幅管にて増幅され、更にＣＣＤカメ
ラにより撮像されて画像処理装置に送られる。画像処理
装置では、各光波長帯域毎の発光量を計算して各故障モ
ードに起因したスペクトルを観察することにより、故障
モードを推定する。

【０００６】以上の物理的な解析方法に対して、シミュ
レーションを用いた故障診断方法も従来より提案されて
いる（特開平４−６６８８４号公報：発明の名称「集積
回路試験装置」）。この従来装置は、ＬＳＩ内部の信号
配線上に電子ビーム、レーザビーム又は金属針を用いて
直接プロービングして信号の論理動作波形を抽出し、そ
の抽出波形をファイルに格納されているシミュレーショ
ン波形と比較し、抽出波形が正常波形と異なるとき、そ
の波形から考えられる故障を定義し、その故障を設定し
た論理シミュレーションを行い、故障の判断が正しいか
どうか判定する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
の故障モードの特定方法のうち、完全な故障解析を行う
特定方法では、論理テストパターンを用いて故障発生箇
所の絞り込みを行い、次に、絞り込んだ故障箇所の物理
解析を行って故障原因を検出しなければならないため、
膨大な工数がかかる欠点があった(ＬＳＩ１個あたり、
約１週間／技術者)。

【０００８】また、ＥＭＳを用いた故障モードの特定方
法は、バンドパスフィルタの光波長帯域が４００ｎｍか
ら１０００ｎｍと限定されているため、その帯域で検出
される故障モードはＣＭＯＳ論理回路上のゲート電極オ
ープン不良やゲート酸化膜破壊によるリーク不良等であ
り、検出される故障モードが限定されていた。さらに検
出された故障モードは“発光スペクトル”と称するＸ軸
に光波長を、Ｙ軸に各光波長帯域の発光量を表示したグ
ラフとして表示されるが、上述した故障モードの発光ス
ペクトルにばらつきがあり、さらに論理的にスペクトル
表示の解釈ができていないため、検出された“発光スペ
クトル”表示から故障モードを推定することは困難であ
った。

【０００９】さらにＥＭＳを用いた故障モードの特定方
法は、まず故障個所の検出から行わねばならないため、
故障モードの特定までに多大な工数と時間がかかる(故
障解析時間の約７０％は故障個所の検出に時間をかけて
いる）。また、ＥＭＳは微小発光を検出するため、発光
観察経路は暗室に置かねばならなく、使用環境が限定さ
れる問題があり、さらにリーク電流が大きいと莫大な光
量となるため、ＥＭＳ解析ができなくなる欠点があっ
た。また、ＥＭＳは配線下の発光が検出できないため、
多層配線構造を有するＬＳＩでの解析は不可能である。

【００１０】また、第３の従来方法であるシミュレーシ
ョンを用いた故障モードの特定方法は、まずＬＳＩ内部
の配線上に直接プロービングして動作波形を計測するた
め、プロービング手段に多大な工数がかかり、次に観測
結果から故障を定義し、シミュレーションにより故障の
判断が正しいかどうか判定するため、試行錯誤の繰り返
しによる膨大な解析時間がかかる欠点があった。

【００１１】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
Ｉｄｄｑと称する論理の静止状態におけるリーク電流以
上が発生したテストパターンでの電源電圧対電源電流特
性を解析し、予めデータベース化されている電源電圧対
電源電流特性との類似性の検索から故障モードを短時間
に正確に特定する故障モードの特定方法及び装置を提供
することを目的とする。

【００１２】また、本発明の他の目的は、外部環境やＬ
ＳＩの内部構造に影響されずに、すべてのＣＭＯＳ論理
回路の故障モードを特定し得る故障モードの特定方法及
び装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、集積回路の内部回路であるＣＭＯＳ論理回
路の入力端子より論理動作テストパターンを入力したと
きに、ＣＭＯＳ論理回路の論理動作の静止状態における
電源電流が予め定めた所定値を越えて流れる異常が発生
する論理動作テストパターンを検出し、この検出した論
理動作テストパターンをＣＭＯＳ論理回路の入力端子に
入力した状態で調査した電源電圧対電源電流特性の特徴
を抽出し、抽出した電源電圧対電源電流特性の特徴と予
めデータベースに格納してある故障モードと電源電圧対
電源電流特性のデータとの類似性を比較することによ
り、ＣＭＯＳ論理回路に発生した故障モードを特定する
ようにしたものである。

【００１４】また、本発明は、故障モードを特定するた
めの電源電圧対電源電流特性の形状を特徴づけるパラメ
ータを、電源電圧対電源電流特性カーブ上の、電流が急
激に流れ始める電圧値と勾配が変化する電源電圧対電源
電流特性カーブの特異点としたものである。

【００１５】また、本発明におけるデータベースに格納
してある故障モードと電源電圧対電源電流特性のデータ
は、あらかじめ想定した物理故障のモードと、物理故障
を作り込んだ集積回路を用いて、物理故障に対応する論
理動作の静止状態電源電流があらかじめ定められた所定
値を越える論理動作テストパターンでの電源電圧対電源
電流特性のデータであることを特徴とする。

【００１６】そして、上記の物理故障は、集積回路の配
線レイアウトパターン上に作り込む、又は集積回路の断
面構造方向に作り込む、又は集積回路の半導体素子を形
成するＰＮ接合領域中に作り込むことを特徴とする。

【００１７】また、データベースに格納してある故障モ
ードと電源電圧対電源電流特性のデータは、不具合品集
積回路として解析された故障モードと論理動作テストパ
ターン入力時の電源電圧対電源電流特性のデータ、ある
いは、集積回路上に定義した故障モードと、定義した故
障モードの故障箇所を介して流れる電源電流を回路シミ
ュレーションにより抽出して得られた、シミュレーショ
ンによる電源電圧対電源電流特性のデータであることを
特徴とする。

【００１８】また、前記目的を達成するため、本発明の
故障モードの特定装置は、基準とする電源電圧対電源電
流特性の形状と故障モードに関するデータが予め格納さ
れている記憶手段と、故障を有する集積回路の電源電圧
対電源電流特性のデータを入力する入力手段と、入力手
段により入力された電源電圧対電源電流特性のデータを
記憶手段からの基準の電源電圧対電源電流特性のデータ
とを比較し、形状の類似性に基づいて対応する故障モー
ドを特定する検索手段とを有する構成としたものであ
る。

【００１９】ところで、大規模集積回路（ＬＳＩ）の内
部回路を構成するＣＭＯＳ論理回路が回路内部に物理欠
陥を有すると、一般的傾向として“Iddq(Quiesent Vdd
Supply Current)”と称する静止状態電源電流に異常値
が現れる。このことは、本発明者が「マイクロエレクト
ロニクスと信頼性」の第33巻第7号、第35巻第3号にて開
示したように明らかである（M.Sanada“New Applicatio
n of Laser Beam to Failure Analysis of LSI with Mu
lti-Metal Layers”，Microelectronics and Reliabili
ty,Vol.33,No.7,pp.993-1009,1993、及びM.Sanada“Eva
luation and Detection of CMOS-LSI with Abnormal Id
dq”，Microelectronics and Reliability,Vol.35,No.
3,pp.619-629,1995)。本発明はこの性質を利用したもの
である。

【００２０】すなわち、本発明により故障モードの特定
に利用するＩｄｄｑ異常は、ＬＳＩ回路内部の物理故障
を顕在化させるシグナルである。そして、そのシグナル
を発生させる論理動作テストパターンを入力端子に設定
することで検出される電源のＶ−Ｉ特性（電源電圧対電
源電流特性）は、Ｉｄｄｑ異常そのものである。従っ
て、電源Ｖ−Ｉ特性は物理故障情報を内蔵しており、さ
らにそのＶ−Ｉ特性カーブは貫通電流が流れる等価回路
により定量的に説明できる。そして、得られたＶ−Ｉ特
性を解析することにより故障モードを正確に特定でき
る。さらに、効率をあげるため、故障モードとその故障
に起因する電源のＶ−Ｉ特性をデータベースとし、故障
品の電源Ｖ−Ｉ特性を取得してそのデータベースを参照
して比較することにより、故障モードを特定できる。

【００２１】そこで、本発明は“FTP(Function Test Pa
ttern)”と称する論理動作テストパターンをＣＭＯＳ論
理回路の入力端子より入力したとき、所定値を越えて流
れるIddq異常が発生したとき、そのＦＴＰにおいて“Ｖ
−Ｉ特性”と称する電源電圧を変化させたとき変化す
る、電源電流の関係を調査することにより故障モードを
特定することを特徴としている。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明になる故障モ
ードの特定方法の一実施の形態のフローチャートを示
す。同図に示すように、まず、ＣＭＯＳ論理回路の入力
端子より既知の複数の論理動作テストパターン（ＦＴ
Ｐ）を順次に入力したときの、論理動作の静止状態にお
けるリーク電流（静的電源電流）Ｉｄｄｑをそれぞれ測
定して、そのうち所定値を越えて流れるＩｄｄｑ異常が
発生した時のＦＴＰを抽出する（ステップ１１）。

【００２３】図２はこのときのＦＴＰとＩｄｄｑ値との
関係を示すグラフであり、ｘ軸はＦＴＰの番号を、ｙ軸
はＩｄｄｑ値を示している。ＣＭＯＳ論理回路上に貫通
電流が発生しない正常状態において、Ｉｄｄｑ値は１μ
Ａ以下であるのに対して回路内部に欠陥があり、その欠
陥が回路に影響を与える不具合品においては、一般に規
格上限値の数百倍から数千倍以上のＩｄｄｑ値が発生す
る(前述の文献参考)。

【００２４】図２に示すグラフにおいて、ＦＴＰ(Ｐ
１)，(Ｐ２)にてＩｄｄｑ値異常が発生している。故障
モードの特定はこのＦＴＰ(Ｐ１)，(Ｐ２)を用いる。

【００２５】次に、Ｉｄｄｑ異常パターンでのＦＴＰに
おける電源電圧を変化させたとき変化する電源電流の関
係である、“Ｖ−Ｉ特性”を調査する（ステップ１
２）。図３は図２におけるＦＴＰ対Ｉｄｄｑ値の測定よ
り検出したＩｄｄｑ値異常を示すＦＴＰ(Ｐ１)のＶ−Ｉ
特性の一例である。

【００２６】続いて、ステップ１２で得られたＶ−Ｉ特
性のカーブの特異性（特徴）が抽出される（ステップ１
３）。その抽出結果はコンピュータに入力される。Ｖ−
Ｉ特性の特異性の抽出はコンピュータに直接カーブを入
力してコンピュータ処理させるか又は、検出した特異性
パラメータをコンピュータに入力するかどちらでもよ
い。

【００２７】コンピュータにはあらかじめ明確な故障モ
ードとその故障に起因して発生する電源のＶ−Ｉ特性が
データベース１４として登録されており、入力されたＶ
−Ｉ特性の特徴の抽出結果とデータベース１４の上記の
故障モードと電源のＶ−Ｉ特性を有するデータとの類似
性を調査、あるいは比較する（ステップ１５）。このと
き、Ｖ−Ｉ特性の特異点のパラメータが比較される。こ
れにより、故障を有するＬＳＩの内部回路に発生した故
障モードが特定される（ステップ１６）。

【００２８】このようにして、この実施の形態によれ
ば、非破壊にて、外部端子での電源電圧と電源電流の測
定のみで故障モードを特定できるため、効率的にＣＭＯ
Ｓ論理回路内部に発生した故障モードを短時間に正確に
特定化できる（例えば、ＬＳＩ１個あたり、約１０分／
技術者）。

【００２９】データベース１４は故障モードと電源のＶ
−Ｉ特性が明確になっているデータを記憶したものであ
る。その記憶データは、簡単な回路構成を有するＬＳＩ
を用いて、あらかじめ考えられる物理故障を作り込み、
その故障モードに起因してＩｄｄｑ異常が発生するとこ
ろの電源電圧対電流特性を収集したもの（図１に１〜３
で示すＶ−Ｉ特性）である。

【００３０】さらに、データベース１４の記憶データに
は、不具合品ＬＳＩとして解析された故障モードと電源
の“Ｖ−Ｉ特性”の関係を有するデータ（図１に４で示
すＶ−Ｉ特性）があり、さらに、ＬＳＩ上に定義した故
障と、回路シミュレーションによりその故障箇所を介し
て流れる電源電圧対電流特性との関係を有するデータ
（図１に５で示すＶ−Ｉ特性）がある。類似性を調査す
るために用いる電源Ｖ−Ｉ特性は、後述するＶ−Ｉ特性
の特異点に注目した特性の形状パラメータである。

【００３１】次に、データベース１４に格納されている
“明確な故障モードと電源Ｖ−Ｉ特性”のデータの収集
方法について説明する。ＬＳＩにあらかじめ考えられる
物理故障を作り込んで行うデータの収集方法には大別し
て図１に１〜３で示した３つのＶ−Ｉ特性のデータ収集
方法、すなわち、ＬＳＩの配線レイアウトパターン上
に物理故障を作り込む方法、ＬＳＩの断面構造方向に
物理故障を作り込む方法、及びＬＳＩのデバイスを形
成しているＰＮ接合領域に故障を作り込む方法がある。

【００３２】これらの３つのデータ収集方法のうち、ま
ずＬＳＩの配線レイアウトパターン上に物理故障を作
り込む方法について説明する。図４はＬＳＩの配線レイ
アウトパターン上に物理故障を作り込み、その電源Ｖ−
Ｉ特性を検出する方法を説明する図であり、測定装置２
５と、配線レイアウトパターンに物理故障を作り込んだ
ＬＳＩ２０の拡大説明図２１と、作り込んだ物理故障の
一例を示す回路図２２、そして各物理故障に対して検出
された電源Ｖ−Ｉ特性群２３を示す。

【００３３】測定装置２５は電源Ｖ−Ｉ特性を検出する
測定する形態を示しており、ＬＳＩ２０と、ＬＳＩ２０
のＶｄｄとＧＮＤ端子に接続された電源１７と、電源１
７からＬＳＩ２０のＶｄｄへつながる配線と電源１７か
らＬＳＩ２０のＧＮＤへつながる配線間に設けられた電
圧計１８と、電源１７からＬＳＩ２０のＧＮＤへつなが
る配線の途中に設けられた電流計１９とから構成されて
いる。

【００３４】データ収集に用いるＬＳＩ２０は、解析が
容易になるように簡単な論理回路を搭載したＬＳＩであ
り、配線レイアウトパターン上への配線の切断や配線間
のショート等といった物理故障の作り込みが、公知の手
法であるFIB(Focused Ion Beam)やFLB(Focused Laser B
eam)等を用いて行われている。また、ＬＳＩ２０の入力
端子はＩｄｄｑ異常が発生するＦＴＰに設定されてい
る。

【００３５】ＬＳＩの拡大図２１はＬＳＩ２０の一部を
拡大した配線レイアウトパターン図であり、複数の物理
故障１〜ｎが作り込まれている。例えば、作り込まれた
物理故障１は配線のオープン故障である。このオープン
故障の回路は例えば、回路図２２に示すように、Ｐ型チ
ャネルトランジスタ(以降Ｐｃｈトランジスタと記載)Ｑ
１とＮ型チャネルトランジスタ(以降Ｎｃｈトランジス
タと記載)Ｑ２が、それぞれゲート同士及びドレイン同
士が接続されたＣＭＯＳインバータ回路の、Ｐｃｈトラ
ンジスタＱ１のゲート電極がオープンになった故障であ
る。

【００３６】ＬＳＩ２０の入力端子にＩｄｄｑ異常が発
生するＦＴＰを設定することにより、このＣＭＯＳイン
バータ回路の入力に“Ｈ”(高電位)レベルが印加された
時、ＰｃｈトランジスタＱ１はノーマリーオン状態、Ｎ
ｃｈトランジスタＱ２はオン状態に設定されるため、Ｖ
ｄｄからＧＮＤにトランジスタＱ１及びＱ２を介して貫
通電流が流れる。その状態での電源Ｖ−Ｉ特性は、各物
理故障に対して検出された電源Ｖ−Ｉ特性群２３のうち
の特性カーブＩにて示される。

【００３７】すなわち、この特性カーブＩはＮｃｈトラ
ンジスタＱ２のスレショールド電圧(約1.3Ｖ)以上にて
電流が流れはじめ、それ以降のＩ／Ｖ勾配はＰｃｈトラ
ンジスタＱ１のチャネル抵抗とＮｃｈトランジスタＱ２
のチャネル抵抗との和として現れてくることを示してい
る。このように、配線のオープン故障モードと電源Ｖ−
Ｉ特性との関係はＩの例で示したような明確な因果関係
を有し、それらの関係をデータベース化することで同類
の故障が発生した不具合品の故障モードを特定すること
が可能となる。

【００３８】次に、のＬＳＩの断面構造方向に物理故
障を作り込む方法について説明する。図５はＬＳＩの断
面構造方向に物理故障を作り込み、その電源Ｖ−Ｉ特性
を検出する方法を説明する図であり、測定装置２５と、
ＬＳＩの断面構造方向の各層間に物理故障を作り込んだ
ＬＳＩ３０の拡大説明図３１と、作り込んだ物理故障の
一例を示す回路図３２と、そして各物理故障に対して検
出された電源Ｖ−Ｉ特性群３３とを示している。同図
中、図４と同一構成部分には同一符号を付してある。

【００３９】ＬＳＩ３０は簡単な論理回路を搭載したＬ
ＳＩである。ＬＳＩ断面構造方向の各層間のショートや
スルーホールやコンタクト上のオープンによる配線層間
のオープン等といった物理故障の作り込みは公知の手法
であるFIB(Focused Ion Beam)やFLB(Focused Laser Bea
m)等を用いてあらかじめ製造工程途中にて欠陥を作り込
むことで容易に形成できる。

【００４０】断面構造図３１はＬＳＩ３０の一部を拡大
した断面構造図であり、複数の物理故障が作り込まれて
いる。ＬＳＩ３０に作り込まれた物理故障２は層間ショ
ート故障であり、その回路を回路図３２に示す。回路図
３２に示すように、層間ショート故障は例えばＣＭＯＳ
インバータ回路を構成するＰｃｈトランジスタＱ３とＮ
ｃｈトランジスタＱ４のそれぞれのゲートがＮｃｈトラ
ンジスタＱ５のドレインに接続された回路の、Ｐｃｈト
ランジスタＱ３のゲート酸化膜上にピンホールが形成さ
れた故障である。

【００４１】このＬＳＩ３０の入力端子にＦＴＰを設定
することにより、回路図３２に示すインバータ回路の入
力に“Ｌ”(低電位)レベルが印加された時、Ｖｄｄから
ＰｃｈトランジスタＱ３のゲート酸化膜上のピンホール
を介してゲート電極のＬレベルを決定している前段の論
理回路のＮｃｈトランジスタＱ５のドレイン、ソースを
通ってＧＮＤへ貫通電流が流れる。

【００４２】この層間ショート故障により貫通電流が流
れる状態の電源Ｖ−Ｉ特性は、図５に示す各物理故障に
対して検出された電源Ｖ−Ｉ特性群３３の特性カーブＩ
Ｉにて示される。すなわち、この特性カーブＩＩは、Ｎ
ｃｈトランジスタＱ５のスレショールド電圧(約1.3Ｖ)
以上にて電流が流れ始め、それ以降のＩ／Ｖ勾配はＰｃ
ｈトランジスタＱ３側ゲート電極のピンホール抵抗とＮ
ｃｈトランジスタＱ５のチャネル抵抗との和として現れ
てくることを示している。

【００４３】このように、層間ショート故障モードと電
源Ｖ−Ｉ特性との関係はＩＩの例で示したような明確な
因果関係を有し、前述と同様、それらの関係をデータベ
ース化することで同類の故障が発生した不具合品の故障
モードを特定することが可能となる。

【００４４】次に、のＬＳＩのデバイスを形成してい
るＰＮ接合領域に故障を作り込む方法について説明す
る。図６はＬＳＩのデバイスを形成しているＰＮ接合領
域に故障を作り込み、その電源Ｖ−Ｉ特性を検出する方
法を説明する図であり、測定装置２５と、ＰＮ接合領域
に物理故障を作り込んだＬＳＩ４０の拡大説明図４１
と、作り込んだ物理故障の一例を示す回路図４２と、各
物理故障に対して検出された電源Ｖ−Ｉ特性群４３とを
示す。同図中、図４と同一構成部分には同一符号を付し
てある。

【００４５】図４及び図５と同じ構成の装置２５により
Ｖ−Ｉ特性が測定されるＬＳＩ４０は、前述同様、簡単
な論理回路を搭載したＬＳＩを用いた。ただし、ＬＳＩ
４０はそのデバイスを形成しているＰＮ接合領域中の主
にＰＮ接合間ショートやＳｉ半導体とＡｌ金属間の熱に
よる共晶反応に伴うアロイスパイク等といった故障の擬
似的な作り込みは、FIB(Focused Ion Beam)やEB(Electr
on Beam)さらにはエキシマレーザ等といった公知の技術
を用いてあらかじめ製造工程中に欠陥として作り込まれ
ている。

【００４６】このＬＳＩ４０のＰＮ接合領域部はＬＳＩ
全体の一部を拡大したデバイス素子構成図４１に示すよ
うに、複数の物理故障が作り込まれている。作り込まれ
た物理故障３はＰＮ接合間ショート故障であり、その回
路を回路図４２に示す。このＰＮ接合間ショート故障の
回路は例えば回路図４２に示すように、Ｐｃｈトランジ
スタＱ６とＮｃｈトランジスタＱ７がそれぞれゲート同
士及びドレイン同士が接続されたＣＭＯＳインバータ回
路の、ＰｃｈトランジスタＱ６のドレイン部を構成して
いるＮウェル（Ｎ−ｗｅｌｌ）に形成されたＰ型領域と
Ｎ−ｗｅｌｌ間のＰＮ接合破壊故障により、Ｐｃｈトラ
ンジスタＱ６のドレイン・ソース間が極めて小さな値の
抵抗Ｒ１で接続されている回路として表される。

【００４７】ＬＳＩ４０の入力端子にＦＴＰを設定する
ことにより、このインバータ回路の入力に“Ｈ”(高電
位)レベルが印加された時、ＰｃｈトランジスタＱ６は
ＶｄｄからＰｃｈトランジスタＱ６のドレイン部にＮ−
ｗｅｌｌ（前記Ｒ１）を介して直接電流が流れ込み、オ
ン状態に設定されているＮｃｈトランジスタＱ７のドレ
イン、ソースを通り、ＧＮＤに貫通電流が流れる。

【００４８】このＰＮ接合間ショート故障により貫通電
流が流れる状態の電源Ｖ−Ｉ特性は、図６に示す各物理
故障に対して検出された電源Ｖ−Ｉ特性群４３の特性カ
ーブIIIにて示される。すなわち、この特性カーブIII
は、ＮｃｈトランジスタＱ７のスレショールド電圧(約
1.3Ｖ)以上にて電流が流れ始め、それ以降のＩ／Ｖ勾配
はほとんどＮｃｈトランジスタＱ７のチャネル抵抗にて
決定される。

【００４９】このように、ＰＮ接合間ショート故障モー
ドと電源Ｖ−Ｉ特性との関係はIIIの例で示したような
明確な因果関係を有し、それらの関係をデータベース化
することで同類の故障が発生した不具合品の故障モード
を特定することが可能となる。

【００５０】次に、データベース化できる他の“明確な
故障モードと電源Ｖ−Ｉ特性”のデータとして、不具合
品ＬＳＩとして完全に解析された故障モードと電源の
“Ｖ−Ｉ特性”の関係を示すデータについて説明する。
このデータは設計ルールの縮小化やプロセスの高精度化
に伴って新たに発覚する、従来考えつかなかった故障モ
ードを含んでいる。

【００５１】例えば、デバイスの微細化や高速度化に伴
い、ＰｃｈトランジスタやＮｃｈトランジスタのソース
部、ドレイン部はそれらの電極表面をＰｔ、Ｔｉ等の高
融点金属を用いてシリサイド化される傾向にある。これ
は電極の配線抵抗を小さくするためである。このシリサ
イド化は電極領域を囲む絶縁体との界面で剥れが発生し
た場合、その間隙からアロイスパイクが発生し、浅いＰ
型領域とそれを囲むＮ型の井戸領域間で、さらには浅い
Ｎ型領域とそれを囲むＰ型の井戸領域間でリークやショ
ートを発生させる。このリークやショートの発生はプロ
セスの揺らぎと共にＬＳＩのレイアウトに大きく依存す
る。このように、新たな故障モードと電源Ｖ−Ｉ特性の
関係のデータを収集することにより、以後に発生する類
似の故障モードを特定化できるためのデータベースとな
る。

【００５２】次に、データベース化できる他のデータと
して、ＬＳＩ上に定義した故障と、回路シミュレーショ
ンによりその故障箇所を介して流れる電源電圧電流特性
との関係を有するデータについて説明する。回路上の故
障の設定とその故障に伴う電源電圧電流特性のシミュレ
ーションによる関係は故障を作り込むにはあまりに多く
のケースを考えなければならないため、作り込みに限界
がある。そのため、回路シミュレーションを利用した解
析方式が用いられる。

【００５３】図７は上記の回路シミュレーションを利用
した解析方式を説明するための、論理ブロック記述によ
る電気回路の一部をあらわした回路図である。同図は、
２個のインバータ回路５１及び５２の出力配線間がショ
ートした故障を示している。計算を容易にするために各
インバータ回路５１及び５２はＰｃｈトランジスタとＮ
ｃｈトランジスタが一個ずつ直列に接続された、ＣＭＯ
Ｓインバタータ構造とする。

【００５４】図８は図７の故障に起因する電源電圧対電
流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す。貫通電流は各々の出力端
子の出力レベルが逆の時発生する。通常、ＣＭＯＳイン
バータ回路のＮｃｈトランジスタのインピーダンス“Ｚ
ｎ”とＰｃｈトランジスタのインピーダンス“Ｚｐ”の
関係はＺｎ≒２・Ｚｐと表される。従って、貫通電流
はＰｃｈトランジスタ又はＮｃｈトランジスタのスレシ
ョールド電圧(約1.3Ｖ)以上にて電流が流れ始め、それ
以降のＩ／Ｖ勾配は“３Ｚｐ”となる。

【００５５】以上のように、シミュレーションによる故
障モードと電源Ｖ−Ｉ特性との関係は、実際にＬＳＩ上
の故障の作り込みに限界があるときに有用であり、それ
らの関係をデータベース化することで同類の故障が発生
した不具合品の故障モードを特定することが可能とな
る。

【００５６】以上の実施の形態によれば、測定は外部環
境に左右されないため、簡単に故障モードの特定がで
き、また、解析は外部端子での電源電圧と電源電流の測
定のみのため、ＬＳＩの内部構造、特に微細化、多層配
線構造化に影響されず、すべてのＣＭＯＳ論理回路に適
用できる。

【００５７】次に、故障モードの特定装置について説明
する。図９は本発明になる故障モード特定装置の一実施
の形態のシステム構成図を示す。この故障モード特定装
置は、コンピュータを用いて故障モードを特定する装置
で、パーソナルコンピュータ６１、ディスプレイ６２、
データベースである外部記憶装置６３、出力装置６４及
び記憶装置６５より構成されている。パーソナルコンピ
ュータ６１は、図１のステップ１５及び１６の処理を実
行する。

【００５８】上述した、基準とする電源の“Ｖ−Ｉ特
性”と故障モードのデータは、コンピュータ６１内部又
は外付けされた情報記憶媒体となるディスク等の外部記
憶装置６３に記憶されており、前記データベース１４を
構成している。その保存は後述するＶ−Ｉ特性カーブの
特異点をパラメータとした定量値で保存されている。故
障を有するＬＳＩの電源“Ｖ−Ｉ特性”の特異点パラメ
ータ値は、予め測定されて記憶装置６５に記憶されてい
る。なお、カーブトレーサ等の測定器とコンピュータ６
１と直接連結させることにより瞬時に読み込ませたり、
スキャナーと称する画像取り込み装置を用いて、抽出し
た特性の特異点を入力することも可能である。さらには
Ｖ−Ｉ特性のパラメータをコンピュータ６１に直接入力
することもできる。

【００５９】パーソナルコンピュータ６１は、記憶装置
６５から故障を有するＬＳＩのパラメータ値を取り込
み、これを外部記憶装置（データベース）６３からの基
準とする電源の“Ｖ−Ｉ特性”パラメータとを比較する
ことにより、類似の特性を検索し、その特性を有する故
障モードを特定し、これをディスプレイ６２に表示し、
出力装置６４へ出力する。

【００６０】次に、前述したＶ−Ｉ特性カーブの特異点
をパラメータとした定量値抽出について図１０を用いて
詳細に説明する。Ｖ−Ｉ特性カーブにおいて電圧を増加
していくと電流が流れ始め、特異な勾配を描きながら電
流は増加していく。その変化における勾配と曲線の特異
点を抽出する。

【００６１】すなわち図１０（Ａ）において、電流が流
れ始める点をａ、以後電圧を増加していったときのＶ−
Ｉ特性カーブの特異点をｂ、ｃ及びｄとすると、これら
の特異点ａ〜ｄのそれぞれの電圧値と電流値は図１０
（Ｂ）に示すように、ａでは（Ｖａ，０）、ｂでは（Ｖ
ｂ，Ｉｂ）、ｃでは（Ｖｃ，Ｉｃ）、ｄでは（Ｖｄ，Ｉ
ｄ）であるものとする。この場合の、ａｂ間の勾配値
α、ｂｃ間の勾配値β及びｃｄ間の勾配値γは、図１０
（Ｃ）に示すように、α＝Ib／(Vb−Va)，β＝(Ic−Ib)
／(Vc−Vb)，γ＝(Id−Ic)／(Vd−Vc)と表される。これ
らのパラメータによる故障モードの特定は、各故障モー
ドの特徴を定量的に把握できるため、確実に故障モード
を特定化できる。

【００６２】以上のようにＣＭＯＳ論理回路の内部に物
理故障を有するとき、検出される電源のＶ−Ｉ特性は各
々の物理故障に対して特異な特性をえることができるた
め、データベース化による探索が可能となり、Ｖ−Ｉ特
性の比較により一致又は、類似のカーブを抽出すること
により故障を有するＬＳＩがＩｄｄｑ異常として発覚す
るＦＴＰにて抽出する電源Ｖ−Ｉ特性から故障モードを
特定できる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｉｄｄｑ異常が発生する論理動作テストパターンでの電
源のＶ−Ｉ特性は物理故障情報を内蔵しており、さらに
貫通電流が流れる等価回路により定量的にＶ−Ｉ特性カ
ーブを説明できるため、Ｉｄｄｑ異常が発生する論理動
作テストパターンを集積回路に入力することにより得ら
れた電源のＶ−Ｉ特性を解析することにより、ばらつき
のない正確な故障モードの特定ができる。

【００６４】また、本発明によれば、故障モードとその
故障に起因する電源のＶ−Ｉ特性をデータベースとする
ことで、故障品の電源Ｖ−Ｉ特性の取得のみでそのデ
ータベースを参照して故障モードを簡単に迅速に特定で
きる。

【００６５】さらに、それらのデータベースは“Ｉｄｄ
ｑ異常が発生するＦＴＰでの電源のＶ−Ｉ特性は物理故
障情報を内蔵している”ため、履歴の正確な“故障モー
ドとその故障に起因する電源のＶ−Ｉ特性”データ(Ｌ
ＳＩ上に作り込んだ物理故障のデータ、正確な故障解析
品のデータ)を記録しておくことにより、同種の故障に
対して正確な故障モードの判定が可能となる効果があ
る。

【００６６】また、それらのデータベースは“貫通電流
が流れる等価回路により定量的にＶ−Ｉ特性カーブを説
明できるため、ＬＳＩ内部に故障を定義したシミュレー
ション結果を記録しておくことにより、同種の故障に対
して正確な故障モードの判定ができる。

【００６７】以上より、本発明方法及び装置によれば、
非破壊にて、外部端子での電源電圧と電源電流の測定の
みで故障モードを特定できるため、効率的にＣＭＯＳ論
理回路内部に発生した故障モードを短時間に正確に特定
化できる（ＬＳＩ１個あたり、約１０分／技術者）。

【００６８】さらに、本発明によれば、測定は外部環境
に左右されないため、簡単に故障モードの特定ができ、
また、解析は外部端子での電源電圧と電源電流の測定の
みのため、ＬＳＩの内部構造、特に微細化、多層配線構
造化に影響されず、すべてのＣＭＯＳ論理回路に適用で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の一実施の形態のフローチャートで
ある。

【図２】図１のフローチャートにおけるＦＴＰとＩｄｄ
ｑ値の関係の一例を示すグラフである。

【図３】図２のグラフから抽出したＩｄｄｑ値異常を有
するＦＴＰでのＶ−Ｉ特性の一例を示す図である。

【図４】ＬＳＩの配線レイアウトパターン上に物理故障
を作り込み、その電源Ｖ−Ｉ特性を検出する方法を説明
する図である。

【図５】ＬＳＩの断面構造方向に物理故障を作り込み、
その電源Ｖ−Ｉ特性を検出する方法を説明する図であ
る。

【図６】ＬＳＩのデバイスを形成しているＰＮ接合領域
に故障を作り込み、その電源Ｖ−Ｉ特性を検出する方法
を説明する図である。

【図７】回路シミュレーションを利用した解析方式を説
明するための論理ブロック記述による電気回路の一例を
示す回路図である。

【図８】図７の故障に起因する電源電圧対電源電流特性
の一例を示す図である。

【図９】本発明装置の一実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図１０】故障モード特定のためのパラメータとして用
いるＶ−Ｉ特性カーブの特異点と勾配の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１〜ｎ作り込まれた故障１１〜１３、１５、１６本発明方法の一実施の形態に
おけるステップ２０、３０、４０大規模集積回路（ＬＳＩ）１７電源１８電圧計１９電流計２１配線レイアウトの拡大図２２配線レイアウトの故障を含む等価回路図２３、３３、４３検出されるＶ−Ｉ特性２５測定装置３１ＬＳＩの断面構造方向のパターンの拡大図３２ＬＳＩ断面構造方向の故障を含む等価回路図４１ＰＮ接合領域の拡大図４２ＰＮ接合領域の故障を含む等価回路図６１パーソナルコンピュータ６２ディスプレイ６３外部記憶装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０３Ｋ 19/00 Ｈ０３Ｋ 19/094 Ｂ 19/0948

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】集積回路の内部回路であるＣＭＯＳ論理
回路の入力端子より論理動作テストパターンを入力した
ときに、該ＣＭＯＳ論理回路の論理動作の静止状態にお
ける電源電流が予め定めた所定値を越えて流れる異常が
発生する論理動作テストパターンを検出し、この検出し
た論理動作テストパターンを前記ＣＭＯＳ論理回路の入
力端子に入力した状態で調査した電源電圧対電源電流特
性の特徴を抽出し、抽出した該電源電圧対電源電流特性
の特徴と予めデータベースに格納してある故障モードと
電源電圧対電源電流特性のデータとの類似性を比較する
ことにより、前記ＣＭＯＳ論理回路に発生した故障モー
ドを特定することを特徴とする故障モードの特定方法。
【請求項２】前記故障モードを特定するための電源電
圧対電源電流特性の形状を特徴づけるパラメータは、該
電源電圧対電源電流特性カーブ上の、電流が急激に流れ
始める電圧値と勾配が変化する該電源電圧対電源電流特
性カーブの特異点であることを特徴とする請求項１記載
の故障モードの特定方法。
【請求項３】前記データベースに格納してある故障モ
ードと電源電圧対電源電流特性のデータは、あらかじめ
想定した物理故障のモードと、該物理故障を作り込んだ
集積回路を用いて、該物理故障に対応する論理動作の静
止状態電源電流があらかじめ定められた所定値を越える
論理動作テストパターンでの電源電圧対電源電流特性の
データであることを特徴とする請求項１記載の故障モー
ドの特定方法。
【請求項４】前記物理故障は、前記集積回路の配線レ
イアウトパターン上に作り込むことを特徴とする請求項
３記載の故障モードの特定方法。
【請求項５】前記物理故障は、前記集積回路の断面構
造方向に作り込むことを特徴とする請求項３記載の故障
モードの特定方法。
【請求項６】前記物理故障は、前記集積回路の半導体
素子を形成するＰＮ接合領域中に作り込むことを特徴と
する請求項３記載の故障モードの特定方法。
【請求項７】前記データベースに格納してある故障モ
ードと電源電圧対電源電流特性のデータは、不具合品集
積回路として解析された故障モードと論理動作テストパ
ターン入力時の電源電圧対電源電流特性のデータである
ことを特徴とする請求項１記載の故障モードの特定方
法。
【請求項８】前記データベースに格納してある故障モ
ードと電源電圧対電源電流特性のデータは、集積回路上
に定義した故障モードと、該定義した故障モードの故障
箇所を介して流れる電源電流を回路シミュレーションに
より抽出して得られた、該シミュレーションによる電源
電圧対電源電流特性のデータであることを特徴とする請
求項１記載の故障モードの特定方法。
【請求項９】基準とする電源電圧対電源電流特性の形
状と故障モードに関するデータが予め格納されている記
憶手段と、故障を有する集積回路の電源電圧対電源電流特性のデー
タを入力する入力手段と、該入力手段により入力された電源電圧対電源電流特性の
データを前記記憶手段からの前記基準の電源電圧対電源
電流特性のデータとを比較し、形状の類似性に基づいて
対応する故障モードを特定する検索手段とを有すること
を特徴とする故障モードの特定装置。