JP6701360B2 - 電気回路構成要素のための劣化検出器、回路構成要素の劣化を監視する方法、素子、および制御器 - Google Patents

Description

本発明は、電気回路構成要素のための劣化検出器、回路構成要素の劣化を監視する方法、素子、および制御器に関する。

今日の集積回路は、例えばトランジスタ、抵抗器、およびコンデンサなどの能動的および受動的な、類義語で「素子」とも呼ばれる多数の回路構成要素を含む。これらの素子は、能動的および受動的な運転時に、例えば負のバイアスに基づいた温度不安定性（ＮＢＴＩ：負バイアス温度不安定性）、ＨＣＩ，および／または電気移動による劣化メカニズムにさらされており、これにより、回路構成要素パラメータの劣化、例えば閾電圧の変化、飽和電流、内部抵抗および／またはアバランシェ電圧がもたらされ、ひいては集積回路の誤作動もしくは故障が生じることがある。

素子には、破壊されることなしに読出し可能な情報がプログラムされており、これらの情報からシリアルナンバーおよび／または製造ロット、ウェーハ番号、素子の組込み位置および／または包装ロットを決定することができる。

安全性に関わる用途、例えば自動車で使用する場合には、誤動作もしくは故障は絶対に防止されるべきである。それ故、劣化プロセスに関する情報は得ようと努めるに値する。

標準的な測定方法、例えばＪＥＤＥＣ規格ＪＰ００１．０１；ＡＥＣ‐Ｑ１００に基づいて、試験構造およびサンプル素子で得られたパラメータ劣化の種類および強度に関する特性データを用いて、少なくとも１つ、または複数の一般的な使用分野のための集積回路に対する様々な劣化メカニズムの影響を適切な設計手段により補正することができる。当然ながら、実際の現場で使用する場合には異なる種類の回路、使用条件、例えば温度などの周辺パラメータ、さらに製造条件によりばらつく半導体材料の特性に基づいて、劣化段階の経過は極めて多様である。

独国特許出願公開第１０１６１９９８号明細書は、複数の素子を備えるシステムの運転を監視する方法を開示しており、素子の劣化を表すパラメータが検出され、個々の素子の劣化段階が個々の素子についてのパラメータ値を評価することによって決定され、劣化係数の閾値の超過が報告され、劣化係数は劣化段階の蓄積によって決定される。

他の従来技術が、米国特許出願公開第２０１２／１１９８２５号明細書，米国特許出願公開第２００９／１１３３５８号明細書，米国特許出願公開第２０１０／２１４００７号明細書，Keane et al, "On-Chip Silicon Odometers for Circuit Aging Characterization", in T. Grasser (ed.)，"Biss Temperature Instability for Devices and Circuits", Springer Science+Business Media New York 2014, S. 679-717，Kumar et al, "On-Chip Aging Compensation for Output Driver", IEEE Reliability Physics Symposium, 2014, Seiten CA.3.1 - CA.3.5に記載されている。

独国特許出願公開第１０１６１９９８号明細書 米国特許出願公開第２０１２／１１９８２５号明細書 米国特許出願公開第２００９／１１３３５８号明細書 米国特許出願公開第２０１０／２１４００７号明細書

Keane, John, Xiaofei Wang, Pulkit Jain, and Chris H. Kim. "On-chip silicon odometers for circuit aging characterization." In Bias Temperature Instability for Devices and Circuits, pp. 679-717. Springer, New York, NY, 2014. Grasser, Tibor, ed. Bias temperature instability for devices and circuits. Springer Science & Business Media, 2013. Kumar, Vinod. "On-chip aging compensation for output driver." In Reliability Physics Symposium, 2014 IEEE International, pp. CA-3. IEEE, 2014.

本発明によれば、請求項１に記載の劣化検出器、請求項６に記載の方法、請求項８に記載の素子、および請求項９に記載の車両のための制御器が得られる。

劣化検出器は、電子回路構成要素において回路構成要素の劣化を監視するために設けられている。

劣化検出器は、回路構成要素の劣化特有のパラメータを検出するための少なくとも１つの入力部を含み、少なくとも検出されたパラメータを、対応する反応閾値および／または反応を決定するために使用するか、または反応閾値および／または反応を適合させるために使用するように構成されている。さらに劣化検出器は、少なくとも、検出されたパラメータが所定の反応閾値を超過したことに応答して、反応をトリガするように構成されている。劣化検出器は、さらに劣化検出器が検出されたパラメータを、反応閾値を決定するため、および／または反応閾値および／または反応を適合させるために使用するように構成されていることを特徴とする。

反応閾値および／または反応を決定もしくは適合させる可能性によって、反応閾値および／または反応を決定するために、素子の製造時点ではまだ提供されていなかったデータを使用することもできる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、検出されたパラメータは、素子にとって危険な回路構成要素の使用の頻度および／または継続時間である。したがって、素子にとって危険な使用が劣化に与える影響が検出可能になる。

劣化検出器は少なくとも１つの出力部を含み、出力部に電圧を印加するように構成されており、さらに劣化検出器は、電圧の印加に応答した電気抵抗または閾電圧ドリフトを検出するように構成されている。

このことは利点である。なぜなら、電気抵抗は、電気移動を監視するために使用することができ、および／または閾電圧ドリフトは、ＭＯＳトランジスタの負のバイアスに基づいた温度不安定性効果（ＮＢＴＩ効果）を監視するために使用することができるからである。

本発明により提案された方法は、電子回路構成要素の劣化を監視するために用いられる。方法は、
少なくとも１つの劣化特有のパラメータを決定するステップ、
対応するパラメータ特有の反応閾値を決定するステップ、
少なくとも、決定されたパラメータが反応閾値を超過したことに応答して反応をトリガするステップ、 反応閾値および／または反応を適合させるステップ、
決定されたパラメータを、反応閾値を決定するために使用し、および／または、反応閾値および／または反応を適合させるために使用するステップと、を含む。

反応閾値および／または反応を決定もしくは適合させる可能性によって、反応閾値および／または反応を決定するために、素子の製造時点ではまだ提供されていなかったデータを使用することもできる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、所定のパラメータは、素子にとって危険な回路構成要素の使用の頻度および／または継続時間である。

方法は、さらに、回路構成要素の製造時の製造データを検出し、所定の製造データを、反応閾値および／または反応を適合させるために使用することを含む。

したがって、異なる製造ロットの劣化耐性の変動を、反応閾値および／または反応を適合させることによって後から補正することもできる。

本発明により提案された素子は、本発明による劣化検出器を含む。本発明により提案された制御器は、車両のために適しており、本発明による素子を含む。

好ましい一実施形態では、制御器は、本発明による方法を実施するように構成されている。

本発明の好ましい実施形態が従属請求項におよび以下の説明に記載されている。

図面および以下の説明に基づいて本発明の実施例を詳述する。

本発明の一実施例にしたがって監視される素子を示すブロック図である。 本発明の一実施例にしたがって監視される制御器を示すブロック図である。 反応閾値を適合させるための一例を示す図である。 劣化パラメータＰのずれΔＰのための一例を示す図である。

安全性に関連する電子システムで特定の負荷条件下においてエラーが発生した場合には、素子にとって危険な高い負荷条件および負荷耐性の欠如という組合せが生じないことを確保するために、特に製品保証に基づいてこれらのシステムを交換する必要がある。

この場合、負荷耐性は個々の回路構成要素の特性であり、実際の製造プロセスで変動することがある。

エラーは、例えば発送経路や組付け場所において、もしくは素子の組付け、使用場所、例えば使用場所の天候、またはユーザ特性によって既に加えられた特定の負荷に依存している場合がある。

しかしながら、エラーが特定の負荷によってしか生じないことがわかっていない場合には、特定の負荷にさらされた回路のみを回収すればよいのにも関わらず、全ての製造ロットを回収しなければならない場合もある。

次に説明する本発明の実施例では、特に、素子の１つ以上の劣化メカニズムの監視を含み、反応閾値を使用する方法が提案される。この場合、反応閾値は、素子および（例えば、素子の温度または湿気負荷に対する）耐性に特有である。反応閾値は、監視された劣化メカニズムを使用して適合される。

劣化を進める使用条件またはこれらの条件の組合せ（例えば供給電圧、湿気、高温）が長い運転時間にわたって作用し、設定された閾値または閾値組合せに到達した場合に適切な改善措置を講じることができる。これらの措置によって、故障を防止するか、または遅らせることができる。エラーの種類に応じて、例えば代替的な運転モード（例えばプロセッサの遅い周期）または冗長手段を起動する措置が講じられる。極端な例および安全性に関する構成要素では、構成要素の予防的交換の可避性を知らせることができる。

監視させる劣化メカニズムの一例は、素子にとって危険な使用状況の頻度および／または継続時間である。素子にとって危険な使用状況の一例は、例えば過電圧、極性エラーおよび高温である。確かに素子は、特定の頻度および／継続時間にわたって損傷されることなしに、素子にとって危険なこのような使用状況に耐えるように設計されている。しかしながら、もともと明記されているよりも頻繁に、および／または長時間にわたって運転時にこのような使用状況が生じた場合には、持続的な素子の劣化がもたらされ、最終的には素子の故障が発生することもある。

例示的な実施形態では、監視された劣化メカニズムを使用して反応閾値到達または超過に対する反応の種類も適合される。

後から適合する可能性によって、反応閾値および／または反応を決定するために、素子の製造時点ではまだ提供されていなかったデータを使用することもできる。

故障が生じる前に危険な劣化を検出し、除去することができるように、現場で既に組み込まれているＡＳＩＣの製造時の問題または信頼性の弱点に関する情報のフィードバックを可能にすることが核心にある。

このために、例えば既に現場で実装された検出器の状態データが読み出され（現場観察）、製造データならびに使用条件に関連づけられ、これにより、可能な信頼性の問題が推定される。このようにして得られた情報に基づいて、該当するＡＳＩＣのみにおいて（例えば製造ロット、所定の製造時間、または特定の用途に制限して）、ＡＳＩＣが危険な状態に達する前に早期に警告することができるように、ＡＳＩＣの検出器閾値が適合される。

例えば、ＡＳＩＣタイプの現場データの評価によって、湿度の高い地域では、制限された数の車両タイプ（特定の組込み状況）において頻繁に故障が生じることが判明する。製造データとの関連づけにより、該当するＡＳＩＣが、定義された狭い製造期間に制限される。さらに検出器データの評価によって、該当する全てのＡＳＩＣにおいて特殊な検出器（例えば湿気）が高い値を示したが、しかしながら、初期に設定されている反応閾値にはまだ達していないことが判明する。ここで提案する発明によって、該当する車両に組み込まれている対応する製造期間のＡＳＩＣにおいて、ＡＳＩＣが故障する前に検出器が閾値に到達するように、検査の範囲で湿度検出器のための反応閾値を下げることができる。実際に該当するＡＳＩＣに制限することにより、一方では回収コストを低減し、他方では現場故障時の費用を著しく低減することができる。

本発明の別の例示的な実施形態は、劣化メカニズムもしくは素子にとって危険な使用状況を直接または間接に監視するための劣化検出器に関する。

劣化検出器の一実施例は、出力部を介して、使用回路で直接に使用されていない導体路装置に電圧を印加し、この導体路装置の電気抵抗を検出し、電気移動を監視するために使用するように構成されている。

劣化検出器の別の実施例は、出力部を介して、１つのＭＯＳトランジスタ、または同時もしくは連続的に複数のＭＯＳトランジスタに電圧を印加し、閾電圧ドリフトを検出し、ＮＢＴＩ効果の監視に使用するように構成されている。

劣化検出器のさらに別の実施例は、例えば車両バッテリの遮断時のロードダンプなどの素子にとって危険な使用状況でのみ生じ得る１つ以上の過電圧を入力部で検出し、生じた個別イベントの数を数えるためのカウンタを使用するように構成されている。

劣化検出器のさらに別の実施例は、ダイオードを温度センサとして使用するように構成されている。特定の温度を超過した場合には、発振器に基づいたクロック信号と共に、高温の継続時間を記録し、合計することができる。

方法は、他の劣化検出器と共に使用することもでき、劣化検出器の監視により、１つ以上の劣化パラメータ、または複数の劣化パラメータの組合せが決定および保存される。

パラメータの評価は、例えば現場で切換のそれぞれの開始手続き時に行うことができる。

安全性に関する用途では、付加的に常に持続的に、または規則的な時間間隔をおいて、現場で評価を行うこともできる。

いつどのような評価が行われるかは、集積回路の内部で制御してもよいし、または制御器によって外部で制御してもよい。

制御器は、素子もしくは集積回路が組み込まれた制御器である。複数の制御器を備える用途、例えば自動車分野では、他の制御器がこの制御を引き受けてもよい。

いくつかの実施例では、付加的または代替的に、外部から、例えば点検またはメンテナンス時に、例えばシリアル・ペリフェラル・インターフェイス（ＳＰＩ）または他の通信インターフェイス、例えば移動通信、モバイルインターネット、または他の通信技術を介して、内部の車両通信部と接続して評価を開始することも可能である。

評価を行う場合には、これらのパラメータが反応閾値と比較される。特定の反応閾値を異なる時点で定義もしくは適合させることができる。

時点の例は、ウェーハ試験または最終試験の時点、素子との通信により制御器に組み込まれた後の時点。車両またはその他の用途対象に組み込まれた後の時点、メンテナンスまたは点検時点、および連続運転もしくは駐車モードの運転時点を含む。

制御器に組み込まれた後に、例えばＳＰＩ、移動通信、または他の通信技術を介して、例えば内部の車両通信部と接続して評価が行われる。

反応閾値の決定は、初期にシミュレーションデータまたは資格データもしくは劣化特有の素子パラメータに基づいて行われる。

例えばパラメータドリフトのように、劣化パラメータが連続的に変化する場合には、（例えばＡＥＣ‐Ｑ１００による）素子検査の終了後に、監視したパラメータが評価され、パラメータの最大値に基づいて、検査したパラメータ範囲が報告される。例えば、検査時に劣化パラメータＰのドリフト（および／またはずれ）ΔＰ＝ＰＥ−Ｐ０が特定される。続いて反応閾値Ｐ_ＲＳが、初期に素子試験時に測定された値Ｐ_{ｉｎｉｔｉａｌ}および検査時に特定されたドリフトから決定される。
Ｐ_ＲＳ＝Ｐ_{ｉｎｉｔｉａｌ}＋０．９^＊ΔＰ
検査したパラメータ範囲を超過する前に運転時に早期に警告を行うことができるように倍率（例えば０．９）を決定することができる。

カウンタの形式のパラメータの場合には、仕様に明記されており、検査時に確認された発生頻度に基づいて反応閾値が決定される。

状態変数（例えば温度）に関する警告時には、仕様に明記された最大値に基づいた決定がなされる。このためには素子検査時に検出信号（例えば温度ダイオードの電流または電圧）を適切に較正する必要がある。較正は、異なる温度（一般に室温２５℃および高温１４０〜１５０℃）で検出器信号を測定し、導き出された温度係数としての温度特性を素子メモリに保存することによって行われる。代替的には、反応閾値を高温信号（例えば１５０℃のダイオード電流）によって直接に導き出すこともできる。このために、あらかじめ試験素子で、ダイオード電流Ｉ１８０が所望の温度閾値（例えば１８０℃）で、素子試験時に使用された温度（例えば１５０℃）におけるダイオード電流Ｉ１５０をどれだけ超えるが特定される。この補正係数ＫＦ＝Ｉ１８０／Ｉ１５０および１５０℃における素子試験時の初期の測定値Ｐ_{ｉｎｉｔｉａｌ}によって、続いて反応閾値を導くことができる。
Ｐ_ＲＳ＝Ｐ_{ｉｎｉｔｉａｌ} ^＊ＫＦ。

さらに、車両、制御器、組付け場所、メンテナンス間隔、および既知の周辺パラメータ（例えば予想温度）などの用途特定の情報を、反応閾値を決定するために使用することができる。反応閾値を定義する目的は、素子にとって危険なエラーの発生前に警告をトリガすることである。

さらに、反応閾値は最初に定義されなくてもよい、すなわち値がなくてもよい。この場合、劣化パラメータが、反応閾値と比較されることなしに、まず連続的に検出され、反応閾値は後の時点でようやく決定される。

組付け後に劣化パラメータを規則的に読み出すことができる。読み出す時点の例は、メンテナンスおよび点検時点、ならびに連続運転または駐車モードの運転時点を含んでいてもよい。読出しは、例えばＳＰＩ，移動通信、または他の通信技術によって、例えば内部の車両通信部と接続して行うことができる。

このようにして集められた劣化データを素子および用途に応じて評価し、反応閾値をさらに適合させるために使用することができる。

さらに、ウェーハ処理時、または個々の製造ロットの包装または搬送時の故障、ウェーハ、または素子に関する情報を、後に反応閾値を適合させるために使用することもできる。

さらに、素子のエラーが発生した可能性を示唆する他の全ての情報を、反応閾値を適合させるために使用することもできる。

反応閾値到達または超過に対する反応の種類は様々に定義されていてもよい。

反応の例は、反応なし、素子または個々の機能グループの停止、点検またはメンテナンス時の警告、警告信号発生器、例えば黄色または赤色の警告ランプにより連続運転時にユーザに対して警告すること、例えばＳＰＩ、移動通信または他の通信技術を介して、例えば内部の車両通信部に接続して素子の製造者に対して警告することを含む。

反応の種類は、様々な適合時点で定義するか、もしくは適合させることができる。例えば、適合時点は、ウェーハ試験または最終試験の時点、素子との通信により制御器に組み込まれた後の時点、車両または他の用途対象への組込み後の時点、メンテナンスまたは点検時点、および連続運転または駐車モードの運転時点を含む。

図１は、本発明による実施例にしたがって監視される素子１００のブロック図を示す。素子１００は評価ユニット１０、劣化のための検出器２０−１〜２０−ｘ、および素子にとって危険な使用のための検出器３０−１〜３０−ｙを含む。評価ユニット１０は、好ましくは、劣化のための検出器２０−１〜２０−ｘおよび素子にとって危険な使用のための検出器３０−１〜３０−ｙと、必ずしも双方向にではないが、通信する。評価ユニット１０は、好ましくは付属の制御器、素子１００が使用される用途対象、および用途対象の外部の装置とも、必ずしも双方向にでないが、通信する。

図２は、本発明の実施例にしたがって素子を監視する制御器２００のブロック図を示す。

制御器は、例えば監視される２つの素子１００−１，１００−２およびコントロールユニット４０を含む。コントロールユニット４０は、好ましくは監視される素子１００−１，１００−２の評価ユニットと、必ずしも双方向にではないが、通信する。コントロールユニット４０は、素子１００が使用される用途対象、および用途対象の外部の装置とも、必ずしも双方向にではないが、通信する。

図３は、反応閾値の適合のための一例を示す。センサ３０によって、例えば異なる劣化メカニズム（それぞれのセンサＡによって記録された測定曲線３１０−１，３１０−２，・・・，３１０−ｎ）および／または危険な状況（それぞれのセンサＢによって記録された測定曲線３２０−１，３２０−２，・・・，３２０−ｎ）を監視するＡＳＩＣが、現場３００で異なる車両１０−１，１０−２〜１０−ｎに使用される。規則的なサービス時および／またはエラー発生時には、これらのセンサはサービス工場４００においてＡＳＩＣのＩＤと共に読み出される。これらの現場データと製造工場５００の製造データとの関連づけ６００によって、目立った製造ロットを特定することができる。例えば、特定の期間に製造された全てのＡＳＩＣは、センサＢが低減された閾値に到達した場合に既に故障することがある。この評価に基づいて、システムが、新たに定義された故障範囲に到達する前に早期にドライバに警告することができるように、次のサービス時または回収の範囲でセンサＢのための閾値を下げることもできる。

図４は、出力値Ｐ_０から最終値Ｐ_Ｅまでの素子検査時の劣化パラメータＰのずれΔＰの一例を示す。例えば、現場に供給された素子のための適宜な反応閾値Ｐ_ＲＳは、初期の測定値Ｐ_{ｉｎｉｔｉａｌ}および特定されたずれΔＰから次のように導くことができる。
Ｐ_ＲＳ＝Ｐ_{ｉｎｉｔｉａｌ}＋０．９^＊ΔＰ。

Claims (9)

1. 回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）の劣化を監視するための、回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）のための評価ユニット（１０）であって、
   回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）の劣化特有のパラメータを検出するための少なくとも１つの入力部を含み、
   少なくとも、前記劣化特有のパラメータが所定の反応閾値を超過したことに応答して反応をトリガするように構成されている評価ユニット（１０）において、
   前記評価ユニット（１０）は、さらに、
   前記回路構成要素の製造時の製造データを検出し、前記製造データを、前記反応閾値および／または前記反応を適合させるために使用するように構成されている、
   ことを特徴とする評価ユニット（１０）。
2. 請求項１に記載の評価ユニット（１０）において、
   前記劣化特有のパラメータが、前記回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）の使用の頻度および／または継続時間である評価ユニット（１０）。
3. 請求項１または２に記載の評価ユニット（１０）において、
   前記評価ユニット（１０）が少なくとも１つの出力部を含み、該出力部が前記回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）に電圧を印加するように構成されており、前記入力部が、電圧の印加に応答した電気抵抗を検出するように構成されている評価ユニット（１０）。
4. 請求項３に記載の評価ユニット（１０）において、
   前記電気抵抗が電気移動を監視するために使用される評価ユニット（１０）。
5. 請求項１または２に記載の評価ユニット（１０）において、
   前記評価ユニット（１０）が少なくとも１つの出力部を含み、該出力部が前記回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）に電圧を印加するように構成されており、前記入力部が、電圧の印加に応答した閾電圧ドリフトを検出するように構成されている評価ユニット（１０）。
6. 請求項５に記載の評価ユニット（１０）において、
   前記閾電圧ドリフトが、ＭＯＳトランジスタの負のバイアスに基づいた温度不安定性効果（ＮＢＴＩ効果）を監視するために使用される評価ユニット（１０）。
7. 電子回路構成要素の劣化を監視する方法において、
   少なくとも１つの劣化特有のパラメータを決定するステップと、
   対応するパラメータ特有の反応閾値を決定するステップと、
   少なくとも、決定されたパラメータが反応閾値を超過したことに応答して反応をトリガするステップと、
   反応閾値および／または反応を適合させるステップと、
   を備える方法において、
   前記反応閾値および／または反応を適合させるステップが、回路構成要素の製造時の製造データを検出し、前記製造データを、反応閾値および／または反応を適合させるために使用することを特徴とする、
   方法。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の評価ユニット（１０）を備える回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）。
9. 請求項８に記載の回路構成要素（１００，１００−１，１００−２）を備える車両のための制御器（２００）。

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