JP6750035B2 - 摩耗モニタデバイス - Google Patents

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Description

参照による組み込み
本出願は、以下の特許出願の各々に対する優先権を主張し、その全体を参照により組み込む。２０１６年１０月１２日に出願された米国特許出願第１５／２９１，７４２号、２０１６年４月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／３２４，８２８号、２０１７年１月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／４４７，８２４号、および２０１７年２月６日に出願された米国仮特許出願第６２／４５５，４８１号。
開示される技術は、一般に、集積回路デバイスのための摩耗モニタデバイスに関する。
いくつかの集積回路（ＩＣ）デバイスのミッション寿命は、例えば、故障メカニズムの、理論的、経験的または半経験的なモデルに基づいて予測することができる。故障メカニズムは、続いて、ＩＣデバイスの故障を引き起こす摩耗応力の種類によって異なる。ＩＣデバイスの摩耗を引き起こす応力には、他の種類の応力がある中で、熱応力、電圧（または電磁場）応力、電流応力、機械的応力などがある。いくつかの故障は、電気的過大応力（ＥＯＳ）事象または静電気放電（ＥＳＤ）事象のような急激な応力によって引き起こされるが、他の故障は、累積応力、例えば、運転中の、熱的、電圧的、または電流応答によって引き起こされる。予想される寿命を超えるこれらの摩耗応力に供されるＩＣデバイスは、突発的で破局的な信頼性の低下の可能性が高くなる。例えば、ある種の熱的に作動する故障メカニズム、例えば、メモリデバイスのデータ保持は、所定の温度で予測可能な故障までの時間を有する。しかしながら、摩耗の原因となる応力は間欠的かつ変動的である可能性がある。その結果、故障メカニズムが比較的よく知られている場合でも、故障までの時間を予測することは困難である。したがって、ユーザが、突然の故障を避けるためにＩＣデバイスが実際にミッション寿命の終わりにどれくらい近いかを自動的にモニタすることができるように、累積応力をリアルタイムにモニタすることが望ましい。
摩耗応力をモニタする１つのアプローチは、センサシステムを実装することである。センサシステムは、応力を測定するための１つ以上のセンサ、例えば、温度センサおよび電流センサと、測定された応力を変換するための関連回路とを含むことができる。応力に関連する測定値は、規定された限度外の可能性のあるエクスカーションについて記録および追跡することができる。このようなモニタリングは、予測された故障をユーザに警告するための製品の寿命にわたって行うことができる。しかしながら、そのようなシステムには、いくつかの制限があり得る。例えば、センサシステムは、製品の寿命にわたって連続感知するための電源を含むことができる。また、検知された信号、例えば電圧または電流信号は、揮発性であり得、記憶されない場合、失われ得る。次いで、モニタされている構成要素の摩擦レベルを、記憶された情報から計算することができる。その結果、内蔵メモリおよび／または外部メモリに情報を送信する機能を実装することができる。さらに、モニタされる状態の範囲は、センサ自体によって制限され得る。例えば、センサが半導体ベースのデバイスである場合、モニタされた構成要素に対してモニタすることができる温度、電圧、および／または電流の範囲は、半導体ベースのデバイスの動作パラメータによって制限され得る。この範囲外では、センサシステム自体の故障の可能性があるため、エクスカーションをモニタし記録することはできない場合がある。したがって、改善された摩耗モニタデバイスが望まれている。
特許請求の範囲に記載されている技術革新は、いくつかの態様を有しており、そのうちの１つだけがその望ましい特性に単独で責任を負うものではない。特許請求の範囲を限定することなく、本開示のいくつかの顕著な特徴をここで簡単に説明する。
一態様では、摩耗監視を有する集積回路デバイスは、コア回路および摩耗モニタデバイスを含む。摩耗モニタデバイスは、コア回路が起動されているかどうかにかかわらず、コア回路の摩耗の指標を調整するように構成される。集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスと関連する電気特性を検出するように構成された検知回路をさらに含み、電気特性は、コア回路の摩耗を示す。
いくつかの実施形態にでは、摩耗監視デバイスは、基板と、基板に拡散するように構成されたモニタ原子と、を備え、基板内のモニタ原子のドーピングプロファイルは、コア回路の摩耗を示す。
いくつかの実施形態では、モニタ原子は、基板において０．７５ｅＶ〜２．５ｅＶの拡散活性化エネルギーを有する。
いくつかの実施形態では、モニタ原子は、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、硫黄（Ｓ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）からなる群から選択される１つ以上の元素を含む。
いくつかの実施形態では、コア回路および摩耗モニタデバイスは、半導体材料で形成された共通基板である基板内に形成され、ならびに、モニタ原子がコア回路中に拡散せずに摩耗応力下で摩耗モニタデバイス中に残存するように構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、基板の表面上に形成されたモニタ原子のリザーバを含み、リザーバは、摩耗モニタデバイスの第１の電極として機能し、摩耗モニタデバイスは、第１の電極とは、異なる材料で形成される、表面上の第２の電極をさらに備える。
いくつかの実施形態では、基板は、モニタ原子のための拡散媒体として半導体材料を含む。
いくつかの実施形態では、モニタデバイスは、ＰＮ接合部を含み、リザーバは、ＰＮ接合部のｐ−ドープ領域またはｎ−ドープ領域のうちの一方と物理的に接触し、第２の電極は、ｐ−ドープ領域またはｎ−ドープ領域のうちの他方と電気的に接触する。
いくつかの実施形態では、電気特性は、ＰＮ接合部の逆バイアス電流を含む。
いくつかの実施形態では、モニタデバイスは、互いから分離されて第１のドープ領域と第２のドープ領域との間のバイアスの下にパンチスルーするように構成された第１のドープ領域および第２のドープ領域を備え、第１のドープ領域および第２のドープ領域は、逆導電型を有し、モニタ原子は、バイアスの下、第１のドープ領域から第２のドープ領域に向かって拡散するように構成される。
いくつかの実施形態では、第２のドープ領域は、半導体材料の表面で形成される第１のドープ領域から垂直に分離される埋め込まれた領域である。
いくつかの実施形態では、第１のドープ領域および第２のドープ領域は、半導体材料の表面領域で形成され、互いに横方向に分離される。
いくつかの実施形態では、モニタデバイスは、チャネル領域によって互いから分離されたソース領域およびドレイン領域を備える電界効果トランジスタを含み、バイアスの下、モニタ原子は、ソース領域またはドレイン領域のうちの一方から、ソース領域またはドレイン領域のうちの他方へ向かってチャネル内に拡散するように構成される。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、検知回路に連結された基準デバイスをさらに備え、検知回路は、摩耗モニタデバイスの電気特性と基準デバイスの対応する電気特性との比較に基づいて摩耗の指標を提供するように構成される。
いくつかの実施形態では、基準デバイスは、モニタ原子を有する摩耗モニタデバイスの対応する電極とは、異なる材料で形成された少なくとも１つの電極を有するが、摩耗モニタデバイスと同じ種類のデバイスを含む。
いくつかの実施形態では、摩耗の指標は、熱応力、電圧応力、または電流応力のうちの１つ以上を示す。
いくつかの実施形態では、モニタ原子は、摩耗応力が基板に拡散するモニタ原子の速度の変化を引き起こすように構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、ｐ−ドープ領域およびｎ−ドープ領域を含み、ｐ−ドープ領域は、拡散材料とは異なるｐ型ドーパントを含み、ｎ−ドープ領域は、拡散材料とは異なるｎ型ドーパントを含む。
別の態様では、コア回路および摩耗モニタデバイスを含む集積回路デバイスの摩耗をモニタする方法は、摩耗モニタデバイスの電気特性を検出することであって、摩耗モニタデバイスが、半導体材料と、半導体材料中に拡散するように構成されたモニタ原子とを備え、電気特性が、コア回路の摩耗を示す半導体材料中のモニタ原子の濃度プロファイルに対応する、検出すること、を含む。本方法は、摩耗モニタデバイスの電気特性を報告することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、検出前に、本方法は、集積回路デバイスを、モニタ原子を半導体材料中に拡散させる応力状態に供することを含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、コア回路の摩耗が摩耗デバイスの検出された電気特性に基づいて、所定レベルに達したかどうかを決定することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、モニタデバイスは、複数のドープ領域とドープ領域のうちの１つに物理的に接触し電極として機能するモニタ原子のリザーバとを備え、電気特性を検出することは、電極を使用する電流または電圧を測定することを含む。
いくつかの実施形態では、応力状態は、熱応力状態、電圧応力状態、または電流応力状態のうちの１つ以上を含む。
別の態様では、摩耗モニタを有する集積回路デバイスは、コア回路と、基板中の拡散材料体のドーピングプロファイルとして、コア回路の摩耗を記録するための手段と、を含む。集積回路デバイスは、コア回路の摩耗の指標を検出するための手段であって、摩耗を記録するための手段が、摩耗の指標を記録するための手段と通信している、手段をさらに含む。
いくつかの実施形態では、拡散材料は、基板において０．７５ｅＶ〜２．５ｅＶの拡散活性化エネルギーを有する。
いくつかの実施形態では、基板は半導体基板である。
いくつかの実施形態では、記録するための手段は、第１の種類の第１のドーパントでドープした第１のドープ領域と、第２の種類の第２のドーパントでドープした第２のドープ領域とを含む。
いくつかの実施形態では、記録するための手段は、拡散材料の原子を備えるリザーバをさらに含み、リザーバは、第１のドープ領域または第２のドープ領域のうちの１つと接触する。
いくつかの実施形態では、記録するための手段は、ｐ−ドープ領域およびｎ−ドープ領域を有するＰＮ接合部を含み、ｐ−ドープ領域は、ドーパントとは異なるｐ型ドーパントを含み、ｎ−ドープ領域は、拡散材料とは異なるｎ型ドーパントを含む。
いくつかの実施形態では、記録するための手段は、ソース領域およびドレイン領域を有する金属酸化物シリコントランジスタを含み、ソース領域およびドレイン領域は、ｎ型ドーパント、または拡散ドーパントとは異なるｐ型ドーパントでドープされる。
いくつかの実施形態では、記録するための手段は、モニタリング領域および基板内に形成された基準領域を備え、モニタ領域および基準領域の各々は、拡散材料と、拡散材料の基板中への拡散を制限するように構成された障壁を含む少なくとも1つの基準領域とを備える。
いくつかの実施形態では、検出するための手段は、モニタリング領域および基準領域の各々からのインピーダンス値を測定し、測定されたインピーダンス値の比較に基づいてコア回路の摩耗を決定するように構成されている。
別の態様では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスから分離されたコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを備え、指標は、コア回路の摩耗を引き起こす摩耗応力に応答して、摩耗モニタデバイス内の拡散物質の局所的な拡散と関連する。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、拡散物質を含むリザーバと、摩耗応力が拡散物質をリザーバから拡散領域へと拡散させるようにリザーバと連通する拡散領域とを含む。
いくつかの実施形態では、拡散領域は、半導体材料を含む。
いくつかの実施形態では、摩耗の指標が、拡散領域中の拡散物質の濃度と関連する。
いくつかの実施形態では、拡散物質は、拡散領域において０．７５ｅＶ〜２．５ｅＶの拡散活性化エネルギーを有する。
いくつかの実施形態では、拡散物質が、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、硫黄（Ｓ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）からなる群から選択される１つ以上の元素を含む。
いくつかの実施形態では、リザーバは、基板の表面において形成され、リザーバは、摩耗モニタデバイスの第１の電極として機能し、摩耗モニタデバイスは、表面において、かつリザーバとは、異なる材料で形成される、第２の電極をさらに備える。
いくつかの実施形態では、コア回路および摩耗モニタデバイスは、半導体材料で形成された共通基板内に形成され、ならびに、拡散物質がコア回路中に拡散せずに摩耗応力下で摩耗モニタデバイス中に残存するように構成される。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、拡散領域への拡散物質の局所的な拡散に応答して変化する電気特性を検出するように構成された検知回路をさらに備える。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、拡散物質が摩耗モニタデバイスからコア回路中に拡散しないように、摩耗モニタデバイスから物理的に分離されているコア回路を備える。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、摩耗の指標を記録する前に、刺激によって起動されるように構成される。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスに接続され、かつ刺激を供給するように構成された制御回路をさらに備え、刺激は、電圧刺激または電流刺激のうちの少なくとも１つを含む。
いくつかの実施形態では、刺激は、光学刺激を含む。
いくつかの実施形態では、拡散物質の拡散のためのエネルギー障壁を有する物理的障壁が、リザーバと拡散領域との間に配設され、物理的障壁は、エネルギー障壁が摩耗モニタデバイスを起動させるための刺激に応答して低減されるように構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、刺激が障壁に十分な熱エネルギーを提供してエネルギー障壁を低減するように構成される。
いくつかの実施形態では、拡散領域およびリザーバは、領域がリザーバに対する拡散物質の拡散のためのエネルギー障壁を有するように異なる組成を有し、エネルギー障壁は、刺激が拡散物質に十分なエネルギーを与えて摩耗モニタデバイスを起動するといったものである。
いくつかの実施形態では、エネルギー障壁は、室温におけるリザーバ中の拡散物質の平均熱エネルギーよりも大きい。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、コア回路の摩耗の指標を記録するように各々が構成された複数のモニタ構造を備える。
いくつかの実施形態では、モニタ構造のうちの異なる構造は、コア回路の摩耗の指標を記録する前に、異なる刺激によって起動されるように構成されている。
いくつかの実施形態では、モニタ構造のうちの異なる構造は、それぞれのリザーバとそれぞれの拡散領域との間に形成された異なる物理的障壁を有する。
いくつかの実施形態では、モニタ構造のうちの異なる構造は、異なって構成された拡散領域を有する。
いくつかの実施形態では、異なって構成された拡散領域は、異なる組成を有する。
いくつかの実施形態では、モニタ構造のうちの異なる構造は、異なって構成されたリザーバを有する。
いくつかの実施形態では、異なって構成されたリザーバは、異なる組成を有する。
いくつかの実施形態では、モニタ構造の各々は、その上に形成される複数の電極を有する。
いくつかの実施形態では、複数の電極の電極は、互いに規則的に離間されている。
いくつかの実施形態では、モニタ構造は、共通基板上に横方向に配置される。
いくつかの実施形態では、隣接するモニタ構造は、規則的な間隔で形成される。
いくつかの実施形態では、リザーバおよび拡散領域は、摩耗の指標が基板の主表面に平行な横方向において正味拡散方向を有する拡散物質の局所的な拡散に基づくように、共通基板上で互いに対して横方向に配設される。
いくつかの実施形態では、拡散の正味方向は、拡散領域を取り囲む拡散物質を組み込むリザーバ領域から中央に位置する拡散領域に向かう半径内向き方向である。
いくつかの実施形態では、摩耗の指標は、拡散物質を組み込む中央に位置するリザーバ領域からリザーバ領域を取り囲む拡散領域に向かう半径外向き方向である正味拡散方向を有する拡散物質の拡散に基づく。
いくつかの実施形態では、モニタ構造は、共通基板上に垂直に配置される。
いくつかの実施形態では、摩耗応力が基板の原子を基板から拡散領域へと拡散させるように、基板の原子は、拡散物質として機能する。
いくつかの実施形態では、摩耗応力は、リザーバの表面で、基板の原子を含む酸化物の形成を引き起こす。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、拡散領域への基板の原子の局所的な拡散に応答して変化する電気特性を検出するように構成された検知回路をさらに備える。
いくつかの実施形態では、検知回路は、拡散領域の抵抗率を測定するように構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、基準電極をさらに含み、検知回路は、基準電極と拡散領域との間の静電容量を測定するように構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、第１の方向において拡散領域に電界を印加するように構成され、拡散物質は、内部に拡散した拡散物質を有する拡散領域に電界が印加されるとき電界が第１の方向における拡散領域において拡散物質をさらに拡散させるように、拡散領域において拡散されたとき電荷状態を有する。
いくつかの実施形態では、拡散領域およびリザーバは、第１の方向と異なる第２の方向において近接して配設され、摩耗応力が拡散物質を第２の方向に拡散させるように構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗応力が半導体基板表面の法線方向に拡散物質を拡散させ、電界が半導体基板表面に平行な方向に拡散物質を拡散させるように、拡散領域は、半導体基板に配設され、リザーバは、半導体基板の表面上に形成される。
いくつかの実施形態では、複数の導電構造は、第１の方向に沿って拡散領域の表面上に形成され、複数の位置における拡散領域への電気アクセスを提供する。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、導電構造のうちの１つ以上に電圧を印加することによって電界を印加するように構成される。
いくつかの実施形態では、第１の方向において拡散領域にわたって電界の大きさが変化するように、拡散領域は、第１の方向にグレードされる濃度を有するドーパントでドープされた半導体材料を含む。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタは、電界が拡散領域内の内蔵電界であるように、拡散領域内で逆ドープ半導体領域を有する。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、摩耗応力が拡散物質をリザーバから離れて拡散領域中に拡散するように構成され、拡散物質は、拡散領域に拡散されるとき電荷状態を有し、摩耗モニタデバイスは、内部に拡散した拡散物質を有する拡散領域に電界が印加されるとき電界がリザーバに向けて拡散物質を拡散させるように、拡散領域に電界を印加するようにさらに構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、内部に拡散した拡散物質を有する拡散領域に電界が印加されるとき濃度勾配を増加させる方向に電界が拡散物質を拡散させるような大きさを有する電界を印加するように構成される。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、刺激に応答して拡散物質の拡散を活性化するように構成される。
いくつかの実施形態では、刺激は、電圧、電流、光、または熱のうちの少なくとも１つを含む。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、刺激を摩耗デバイスに印加するように構成された制御回路をさらに備える。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、拡散プロファイルの指標を経時的に提供するように構成された検知回路をさらに備える。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、原位置で摩耗の指標を提供するように構成された検知回路をさらに備える。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスが半導体基板を備え、拡散物質は、半導体基板中に拡散するように構成される。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、半導体基板中への拡散物質の局所的な拡散に応答して変化する電気特性を検出するように構成された検知回路をさらに備える。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、拡散領域中への摩耗モニタデバイスの半導体材料の局所的な拡散に応答して変化する電気特性を検出するように構成された検知回路をさらに備える。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、刺激が印加されることを可能にするように構成され、局所的な拡散の方向を刺激に応答して変化させる。
別の態様では、集積回路デバイスのコア回路の摩耗をモニタする方法は、コア回路から分離された摩耗モニタデバイスを使用する。本方法は、コア回路の摩耗の指標を記録することであって、指標が、コア回路の摩耗を引き起こす摩耗応力に応答して、摩耗モニタデバイス内の拡散物質の局所的な拡散と関連する、記録することを含む。本方法は、拡散物質の局所的な拡散に応答して変化する電気特性を検出することをさらに含む。本方法は、摩耗モニタデバイスの電気特性を報告することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、記録する前に、摩耗モニタデバイスを、拡散物質を含むリザーバから拡散領域中へと局所的な拡散を引き起こす摩耗応力に供することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、摩耗モニタデバイスを摩耗応力に供する前に、モニタデバイスが、エネルギー障壁を克服するように刺激を印加することによって、モニタデバイスを起動させることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、刺激を印加することは、エネルギー障壁を有する物理的障壁を変造し、エネルギー障壁を低減する。
いくつかの実施形態では、本方法は、摩耗モニタデバイスを摩耗応力に供した後に、電界が拡散物質を第１の方向においてさらに拡散させるように、第１の方向において内部に拡散された拡散物質を有する拡散領域に電界を印加することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、耐摩耗モニタデバイスを、拡散物質をリザーバから離れて、かつ拡散領域中に拡散させる摩耗応力に供した後、電界がリザーバに向けて拡散物質を拡散させるように、内部に拡散した拡散物質を有する拡散領域に電界を印加することをさらに含む。
別の態様では、集積回路デバイスは、集積回路におけるコア回路の摩耗モニタ機能を有する。集積回路デバイスは、コア回路の摩耗の指標を記録するための手段であって、指標が、コア回路の摩耗を引き起こす摩耗応力に応答して記録するための手段内の拡散物質の局所的な拡散と関連する、手段を備える。集積回路デバイスは、コア回路の摩耗の指標を検出するための手段であって、摩耗の指標を記録するための手段と通信している、検出するための手段をさらに備える。
いくつかの実施形態では、記録するための手段が、拡散物質を含むリザーバと、摩耗応力が拡散物質をリザーバから拡散領域へと拡散させるようにリザーバと連通する拡散領域とを含む。
いくつかの実施形態では、記録するための手段は、拡散物質をリザーバから拡散領域中へと拡散させる前に、刺激に応答して起動するように構成される。
いくつかの実施形態では、集積回路デバイスは、第１の方向において拡散領域に電界を印加するための手段をさらに備え、内部に拡散した拡散物質を有する拡散領域に電界が印加されるとき電界が第１の方向において拡散する領域に拡散物質をさらに拡散させるように、拡散物質は、拡散する領域において拡散されたとき電荷状態を有する。
いくつかの実施形態では、記録するための手段は、摩耗応力が拡散物質をリザーバから離れて拡散領域中に拡散するように構成され、拡散物質は、拡散領域に拡散されるとき電荷状態を有し、記録する手段は、内部に拡散した拡散物質を有する拡散領域に電界が印加されるとき電界がリザーバに向けて拡散物質を拡散させるように、拡散領域に電界を印加するようにさらに構成される。
別の態様では、センサは、統合データ記録構造を含む。センサは、センサの本体内の溶質として機能する材料に露出されるように適合される第１の領域を含む。センサは、第１の領域に接触し、時間の関数としての溶質の濃度がセンサの本体内の溶質の空間分布としてエンコードされるように、溶質を第１の領域から離して移動させるように適合される第２の領域をさらに含む。
いくつかの実施形態では、第２の領域は、電界（Ｅフィールド）下で、第１の方向に溶質を移動させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、Ｅフィールドは、第２の領域を形成する材料内の空間的にグレードされたドーピングプロファイルによって提供される固有Ｅフィールドである。
いくつかの実施形態では、Ｅフィールドは、第２の領域にわたって印加される電圧差によって提供される。
いくつかの実施形態では、センサは、第２の領域に沿った位置の関数として第２の領域の電気特性を読み取るための第２の領域に沿って延びる読み取り構造をさらに含む。
いくつかの実施形態では、読み取り構造は、第２の領域に沿って配設された複数の電極を備える。
いくつかの実施形態では、読み取り構造は、第２の領域に沿って配設された複数のトランジスタを含み、トランジスタは、バイポーラ接合トランジスタを含み、第２の領域は、バイポーラトランジスタの各々のためのベース領域として機能する、および／またはトランジスタは、電界効果トランジスタであり、第２の領域は、電界効果トランジスタの各々のためのゲート領域もしくはチャネル領域として作用する。
いくつかの実施形態では、読み取り構造は、複数のダイオードを備える。
いくつかの実施形態では、センサは、基準チャネルをさらに含み、基準チャネルは、センサの第２の領域に対応するが第１の領域には、接触しない第３の領域を含む。
いくつかの実施形態では、温度は、上述の統合データ記録構造を含むセンサを備える。センサの第１の領域は、溶質として機能する材料と接触しているか、またはドープされており、材料は、３電子ボルト（ｅＶ）未満のセンサの本体の材料に対する活性化エネルギーを有する。
いくつかの実施形態では、温度センサ内の溶質として機能する材料は、２ｅＶ未満および０．７ｅＶ超の活性化エネルギーを有するように選択される。
いくつかの実施形態では、温度センサ内の材料は、銀、金、および銅からなる群から選択される。
いくつかの実施形態では、濃度センサは、上述の温度センサを含む。加えて、濃度センサは、第２の溶質として機能する試薬に曝露される第３の領域と、第３の領域と接触し、第４の領域に沿って第２の溶質を移動させるように適合された第４の領域と、をさらに備える。
いくつかの実施形態では、センサは、溶質として機能する材料と第１の領域との間の接触を制御するための構造をさらに含む。
いくつかの実施形態では、接触を制御するための構造は、温度、圧力、および電気制御のうちの１つ以上に反応する。
いくつかの実施形態では、センサは、読み取り回路をさらに含む。
いくつかの実施形態では、ダイは、上述のセンサを担持する。
いくつかの実施形態では、チップスケールパッケージは、少なくとも１つの他のダイと一括包装される上述のダイを備える。
別の態様では、無給電状態における温度を記録するように動作可能な温度センサは、半導体のメモリ領域と接触して配置された溶質材料を含む。半導体のメモリ領域は、時間の関数としての温度がメモリ領域内の溶質の空間分布としてエンコードされるように、溶質をメモリ領域に沿って移動させるように、固有の電界がその中に存在するように、ドープされる。
別の態様では、温度センサの製造方法は、電界勾配が領域にわたって存在するように、半導体の領域を適合させることを含む。本方法は、領域内の位置の関数としての電気特性が決定され得るように構成された半導体の領域内の複数の読み取り構造を形成することをさらに含む。本方法は、半導体の領域の一部分を不純物の源に曝露することをさらに含み、これにより、不純物が半導体の電気特性を変更する。
本開示を要約する目的で、技術革新の特定の態様、利点および新規な特徴が本明細書に記載された。必ずしもそのような利点のすべてが、任意の特定の実施形態に従って実現されるとは限らないことを理解されたい。したがって、技術革新は、本明細書で教示または示唆され得る他の利点を必ずしも実現することなく、本明細書に教示される１つの利点または利点群を実現または最適化する様式で、具体化または実施されてもよい。
ここで、非限定的な例として、添付の図面を参照しながら本開示の実施形態を記載する。
集積回路デバイスの個体数に対する故障率対時間を示すグラフである。 実施形態による、オンチップ摩耗モニタデバイスを備える集積回路デバイスを示す。 実施形態による、オンチップ摩耗モニタデバイスおよび基準デバイスを備える集積回路デバイスを示す。 実施形態による、摩耗応力に応答してその拡散速度が変化するモニタ原子を有する摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、リンをモニタ原子として有する摩耗モニタデバイスを示す。 １２５℃で様々な時間拡散した後に、図４Ａにおける摩耗モニタデバイスのシリコン基板中のリンの計算された濃度プロファイルを示すグラフである。 実施形態による、金をモニタ原子として有する摩耗モニタデバイスを示す。 ７５℃で、様々な時間拡散した後で、図５Ａにおける摩耗モニタデバイスのシリコン基板中の金の計算された濃度プロファイルを示すグラフである。 １００℃で、様々な時間拡散した後で、図５Ａにおける摩耗モニタデバイスのシリコン基板中の金の計算された濃度プロファイルを示すグラフである。 １２５℃で、様々な時間拡散した後で、図５Ａにおける摩耗モニタデバイスのシリコン基板中の金の計算された濃度プロファイルを示すグラフである。 実施形態による、半導体材料および半導体材料中に拡散するように構成されたモニタ原子を備える摩耗モニタデバイスの説明図である。 図６Ａのボックス領域の拡大図と、１２５℃で様々な時間拡散した後に、図６Ａ／６Ｂにおける摩耗モニタデバイスのシリコンデバイス基板中の金の計算された濃度プロファイルとを示すグラフである。 実施形態による、半導体材料中に拡散するように構成されたモニタ原子を備える摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、図７Ａのモニタデバイスの基準測定値を提供するように構成された基準デバイスの説明図である。 実施形態による、電流誘起による摩耗モニタデバイスとして構成された摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、電圧誘起による摩耗モニタデバイスとして構成された摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、ＰＮ接合部摩耗モニタデバイスとして構成された摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、ＰＮ接合部摩耗モニタデバイスとして構成された摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、垂直パンチスルー摩耗モニタデバイスとして構成された摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、横パンチスルー摩耗モニタデバイスとして構成された摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、金属−オキシド−ケイ素（ＭＯＳ）摩耗モニタデバイスとして構成された摩耗モニタデバイスの説明図である。 実施形態による、摩耗モニタデバイス用モニタ原子を組み込む電極を形成する方法を示す。 実施形態による、ＰＮ接合部およびＰＮ接合部中に拡散するように構成されたモニタ原子の層を備える摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、ＰＮ接合部およびＰＮ接合部中に拡散するように構成されたモニタ原子の層を備える摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、ＰＮ接合部およびＰＮ接合部中に拡散するように構成されたモニタ原子の層を備える摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、ＰＮ接合部およびＰＮ接合部中に拡散するように構成されたモニタ原子の層を備える摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、基礎となる基板の中へのモニタ原子の拡散速度を制御するための摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、基礎となる基板の中へのモニタ原子の拡散速度を制御するための摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、基礎となる基板の中へのモニタ原子の拡散速度を制御するための摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、基礎となる基板の中へのモニタ原子の拡散速度を制御するための摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、基礎となる基板の中へのモニタ原子の拡散速度を制御するための摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、基礎となる基板の中へのモニタ原子の拡散速度を制御するための摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、基礎となる基板の中へのモニタ原子の拡散速度を制御するための摩耗モニタデバイスの様々な構成を示す。 実施形態による、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）として構成された摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）として構成された摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタとして構成される摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタとして構成される摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタとして構成される摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタとして構成される摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、インピーダンス測定装置として構成された摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、図１９Ａおよび１９Ｃ〜１９Ｄの摩耗モニタデバイスの濃度プロファイルの時間発展を概略的に示す。 実施形態による、インピーダンス測定装置として構成された摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、インピーダンス測定装置として構成された摩耗モニタデバイスを示す。 いくつかの実施形態による、摩耗モニタデバイスと共に使用されるように構成される変換回路を示す。 いくつかの実施形態による、摩耗モニタデバイスと共に使用されるように構成される変換回路を示す。 いくつかの実施形態による、摩耗モニタデバイスと共に使用されるように構成される変換回路を示す。 いくつかの実施形態による、摩耗モニタデバイスと共に使用されるように構成される変換回路を示す。 いくつかの実施形態による、摩耗モニタデバイスと共に使用されるように構成される変換回路を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスと基準デバイスとの間の出力信号を比較するように構成された容量性プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）回路を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスと基準デバイスとの間の出力信号を比較するように構成された容量性プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）回路を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスと基準デバイスとの間の出力信号を比較するように構成された容量性プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）回路を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスの電流出力を増幅および電圧信号へと変換するように構成されたトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスの電流出力を増幅および電圧信号へと変換するように構成されたトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスの電流出力を増幅および電圧信号へと変換するように構成されたトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）を示す。 いくつかの実施形態による、モニタデバイスおよび基準デバイスの電流出力を増幅および電圧信号へと変換するように多重化されたアノードバイアスを伴うトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）を示す。 実施形態による、１つ以上の摩耗モニタデバイスを有する寿命インジケータシステムを示す。 実施形態による、１つ以上の摩耗センサを備えるミッションプロファイルモニタシステムを示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスの適用のためのＩＣデバイスにおける供給電圧ガードバンディングを示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスの適用のためのＩＣデバイスにおける供給電圧ガードバンディングを示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスを備え、最小エネルギーを使用しながら、またはエネルギーを使用せずにモニタされたデータを無線送信するように構成されたＩＣ装置を示す。 実施形態による、累積摩耗応力を決定するために酸化または腐食させるように構成された構造を有する摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、累積摩耗応力を決定するために酸化または腐食させるように構成された構造を有する摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、累積摩耗応力を決定するために酸化または腐食させるように構成された構造を有する摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、累積摩耗応力を決定するために酸化または腐食させるように構成された構造を有する摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスの配列として横方向に配置された複数の摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、基準デバイスと対にされ配列として横方向に配置された複数のモニタデバイスを示す。 実施形態による、基準デバイスと対にされ配列として横方向に配置された複数のモニタデバイスを示す。 実施形態による、配列として横方向に配置された複数のモニタデバイスを示す。 実施形態による、配列として横方向に配置された複数のモニタデバイスを示す。 実施形態による、配列として横方向に配置された複数のモニタデバイスを示す。 実施形態による、パッケージ（ＳＩＰ）におけるシステム、または１つ以上の摩耗モニタデバイスを含む埋込みコンポーネントを有するシステムの図である。 それぞれ、実施形態による、摩耗モニタデバイスとして構成された概略図ＥＳＤ事象検出回路を示す。 それぞれ、実施形態による、摩耗モニタデバイスとして構成された概略図ＥＳＤ事象検出回路を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスとして構成されたＥＳＤ保護デバイスの例示的な物理的レイアウトを示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスとして構成されたＥＳＤ保護デバイスの例示的な物理的レイアウトを示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスとして構成されたＥＳＤ保護デバイスの例示的な物理的レイアウトを示す。 実施形態による、単一のチップにおいて、ＥＳＤ保護および／またはエネルギー採取回路と統合された１つ以上の摩耗または腐食モニタデバイスを含む垂直統合システムを概略的に示す。 実施形態による、単一のチップにおいて、ＥＳＤ保護および／またはエネルギー採取回路と統合された１つ以上の摩耗または腐食モニタデバイスを含む垂直統合システムを概略的に示す。 実施形態による、単一のチップにおいて、ＥＳＤ保護および／またはエネルギー採取回路と統合された１つ以上の摩耗または腐食モニタデバイスを含む垂直統合システムを概略的に示す。 実施形態による、機械的変形と関連する摩耗応力をモニタするために、可撓性基板中または可撓性基板上に形成される摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、機械的変形と関連する摩耗応力をモニタするために、可撓性基板中または可撓性基板上に形成される摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、機械的変形と関連する摩耗応力をモニタするために、可撓性基板中または可撓性基板上に形成される摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、機械的変形と関連する摩耗応力をモニタするために、可撓性基板中または可撓性基板上に形成される摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、機械的変形と関連する摩耗応力をモニタするために、可撓性基板中または可撓性基板上に形成される摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。 実施形態による、電界増強と関連する摩耗応力をモニタするための１つ以上の鋸歯状構造を有する摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、図３９Ａの摩耗モニタデバイスの基準デバイスを示す。 実施形態による、半導体材料中に拡散するように構成されたモニタ原子を備える摩耗モニタデバイスの説明図である。 図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の実験電流電圧曲線および逆バイアス下の破壊を示すグラフである。 ２００℃で異なる持続時間の熱応力に供された後、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の実験電流電圧曲線を示すグラフである。 図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの順方向バイアス下の実験電流電圧曲線を示すグラフである。 ２００℃で異なる持続時間の熱応力に供された後、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の実験的漏れ電流をプロットするチャートである。 異なる温度で異なる持続時間の熱応力に供された後、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の計算された漏れ電流をプロットするチャートである。 熱応力の異なる持続時間および温度の関数として、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の漏れ電流をプロットする等高線図である。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを示し、ここで、デバイスは、障壁によって基板から分離されたモニタ原子のリザーバを有する。 実施形態による、図４３Ａに示された摩耗モニタデバイスに適用される電気刺激によって引き起こされるジュール加熱のシミュレーションを示す。 実施形態による、モニタ原子のための活性化エネルギーレベルを示す概略的な３次元エネルギー空間図を示す。 実施形態による、物理的障壁によって基板から分離されたモニタ原子のリザーバを有する摩耗モニタデバイスにおけるモニタ原子のための活性化エネルギーレベルを示す概略的な２次元エネルギー空間図を示す。 実施形態による、モニタ原子のリザーバとモニタ領域との間のエネルギー障壁を有する摩耗モニタデバイスにおけるモニタ原子のための活性化エネルギーレベルを示す概略的な２次元エネルギー空間図を示す。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを示し、ここで、デバイスは、モニタデバイス物理的障壁によって基板から分離されたモニタ原子のリザーバを有し、モニタ原子のリザーバとモニタ領域との間にエネルギー障壁を有する。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを示し、ここで、デバイスは、モニタ原子のリザーバとモニタ領域との間にエネルギー障壁を有する。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを示し、ここで、モニタ原子のリザーバは、物理的障壁によって基板から分離されている。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを示し、ここで、デバイスは、モニタ原子のリザーバとモニタ領域との間にエネルギー障壁を有する。 実施形態による、図４９Ａに示された摩耗モニタデバイスのリザーバに適用される例示的な電気刺激の断面図を示す。 図４９Ｂに示された電気パルスに起因するシミュレーションされた電流密度分布の断面図を示す。 ジュール加熱に起因するシミュレーションされた熱分布の断面図を示す。 図４９Ｂに示された電気パルスに起因するシミュレーションされた衝撃イオン化の断面図を示す。 図４９Ｂに示された電気パルスに起因するシミュレーションされた電位勾配の断面図を示す。 モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図であり、ここで、摩耗モニタデバイスは、複数のモニタ構造を含む。 実施形態による、図５０Ａに示された摩耗モニタデバイスに電気的に接続され電気刺激を供給するように構成された電流供給トランジスタを有する例示的な制御回路を示す。 モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図（上段の図）および上下平面図（下段の図）を示す。 いくつかの他の実施形態による、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示す。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの上下平面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、複数の行を有する配列を含む。 実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの上下平面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、基準点または中心位置から異なる半径方向距離で配置された複数のモニタ構造を有する配列を含む。 実施形態による、半径外向き方向におけるモニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図および上下平面図を示す。 実施形態による、半径外向き方向におけるモニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図および上下平面図を示す。 実施形態による、半径内向における局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの平面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、障壁を含む複数のモニタ構造を含む。 実施形態による、半径内向における局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの平面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、各々が異なる障壁を含む複数のモニタ構造を含む。 実施形態による、半径内向における局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの平面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、各々が異なる障壁および異なるリザーバを含む複数のモニタ構造を含む。 実施形態による、横方向における局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、障壁および異なって構成されたモニタ領域を含む複数のモニタ構造を含む。 実施形態による、図５６Ａに示された摩耗モニタデバイスを示し、摩耗モニタデバイスの異なる領域への電気的接続をさらに示す。 実施形態による、リザーバと各モニタ領域との間の障壁のそれぞれの領域に電気刺激を個々に印加することによって初期化するように構成された、図５６Ａに示された摩耗モニタデバイスの同等の回路図を示す。 実施形態による、モニタ領域の電気特性の変化を測定するように構成された、図５６Ａに示された摩耗モニタデバイスに電気的に接続された検知回路の１つの例示的な実施形態を示す。 実施形態による、横方向における局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、リザーバに共通に接続された２組のモニタ領域を含む。 実施形態による、局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示し、ここで、モニタ原子の複数のリザーバは、ワイヤボンディングとして構成されている。 実施形態による、局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示し、ここで、モニタ原子の複数のリザーバは、異なるワイヤボンディングとして構成されている。 実施形態による、他の受動の／別個の構成要素、および／またはコア回路が保護されるように含まれるマイクロプロセッサと共に、パッケージレベル統合システムの一部として埋め込まれるかまたは組み込まれる複数の摩耗モニタデバイスの平面図を示す。 他の受動の／別個の構成要素、および／またはコア回路が保護されるように含まれるマイクロプロセッサと共に、埋め込まれるかまたは組み込まれる複数の摩耗モニタデバイスを含む、パッケージレベル統合システムの断面図を示し、ここで、障壁は、光子によって変更されるように構成される材料で形成されている。 実施形態による、制御回路および／または検知回路を含む別のシステム上に載置された図６０Ａに示されたシステムを示す。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを示し、ここで、指標は、モニタ領域とモニタ原子のリザーバとの間の相互拡散に基づいている。 実施形態による、モニタ原子の局所的な原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスを示し、ここで、指標は、モニタ領域とモニタ原子のリザーバとの間の相互拡散に基づいている。 実施形態による、原子の相互拡散に起因するリザーバへの構造的変更と関連付けられた電気シグネチャを検出するように構成される検知回路に電気的に接続された図６２Ａに示された摩耗モニタデバイスの拡大図を示す。 実施形態による、原子の相互拡散に基づく電気シグネチャを利用してコア回路の磨耗を測定することができるように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示す。 実施形態による、原子の相互拡散に基づく電気シグネチャを利用してコア回路の磨耗を測定することができるように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示す。 実施形態による、原子の相互拡散に基づく電気シグネチャを利用してコア回路の磨耗を測定することができるように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示す。 実施形態による、原子の相互拡散に基づく電気シグネチャを利用してコア回路の磨耗を測定することができるように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示す。 累積的な等価一定熱摩耗応力に起因するモニタ原子の濃度プロファイルを示す。 累積的な時間変動熱摩耗応力に起因するモニタ原子の濃度プロファイルを示す。 温度変動を平均温度および移動平均温度に対して比較するグラフである。 いくつかの実施形態による、温度センサの概略図である。 いくつかの実施形態による、温度センサの概略図である。 いくつかの実施形態による、温度センサの概略図である。 いくつかの他の実施形態による、温度センサの概略図である。 実施形態による、センサの本体に沿った拡散材料を移動させるための外部電圧源を含む温度センサの概略図である。 実施形態による、センサ内のドーパント密度を概略的に示す図である。 実施形態による、センサ内の距離の関数としてグレードされた（段階的）ドーピング濃度プロファイルを概略的に示す。 図１４Ａのドーピング濃度プロファイルに対応する距離の関数として電界を概略的に示す。 図１４Ａのドーピング濃度プロファイルに対応する電位を概略的に示す。 電界の影響下での時間の関数としての材料の拡散領域の移動を概略的に示す。 拡散および漂流の組み合わせ効果を示すグラフである。 実施形態による、読み取り構造の断面図である。 図１７の読み取り構造の平面図である。 線Ａ−Ａ’に沿って図１７の読み取り構造を通る断面図である。 実施形態による、代替的な読み取り構造の平面図である。 実施形態による、第１の領域から溶質を提供する材料を隔離するための第１の配置を示す。 実施形態による、第１の領域から溶質を隔離するための第２の配置を示す。 実施形態による、本開示のセンサと共に使用するためのデータ取得回路の概略図である。 実施形態による、チップスケールパッケージの機能回路と一括包装された本開示の実施形態を担持するダイを示す。 実施形態による、本開示の実施形態を構成する濃度センサの平面図である。 実施形態による、クリア／リセット機能を有する実施形態を示す。 実施形態による、コア回路の摩耗の時間分解モニタリングのために構成された摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、コア回路の摩耗の時間分解モニタリングのために構成された摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、用途に応じて、上述した異なる特徴の組み合わせを使用して摩耗モニタデバイスの異なるものが有効化および調整され得る、複数の摩耗モニタを示す。 実施形態による、個々の拡散モニタデバイスへのアクセスが、ヒューズによって調整され得る、配列における複数の摩耗モニタの配置を示す。 実施形態による、時間分解モニタリングのためのトランジスタおよび検知回路に各々が接続された複数の摩耗モニタまたは領域を備える摩耗モニタの配置を示す。 実施形態による、障壁によって基板から分離されるモニタ原子を各々が備える複数のリザーバを備える摩耗モニタを示す。 実施形態による、時間分解モニタリングのためのモニタ原子のリザーバおよび複数の電極をその上に形成されて有する基板を備える摩耗モニタを示し、ここで、基板は、モニタ原子を横方向に拡散するための「早送りする」および／または「巻き戻す」回路に接続されている。 実施形態による、時間分解モニタリングのためのモニタ原子のリザーバおよび複数の電極をその上に形成されて有する基板を備える摩耗モニタを示し、ここで、電極は、逆バイアス漏れ多重測定回路に接続されている。 実施形態による、差動測定のための基準構造を含む逆バイアス漏れ多重測定回路に接続されている電極を示す。 実施形態による、時間分解モニタリングのためのモニタ原子のリザーバおよび複数の電極をその上に形成されて有する基板を備える摩耗モニタを示し、ここで、複数のモニタＭＯＳトランジスタのゲートは、電極として機能する。 実施形態による、時間分解モニタリングのためのモニタ原子のリザーバおよび複数の電極をその上に形成されて有する基板を備える摩耗モニタを示し、ここで、複数のモニタＭＯＳトランジスタのゲートは、電極として機能する。 実施形態による、差動測定のための基準構造を含む逆バイアス漏れ多重測定回路に接続されている電極を示し、ここで、測定回路は、逆バイアス回復電流を測定するように構成されている。 実施形態による、逆バイアス回復電流を測定し、かつコア回路の摩耗をモニタするためのモニタダイオードを含む、検知回路を示す。 図９６Ａに示された検知回路を使用して、モニタダイオードが順方向バイアス構成から逆バイアス構成に切り替えられるときの測定された電流を示す。 内部に拡散した不純物を有しない基準ダイオードを備える検知回路を示す。 図９６Ａに示された検知回路を使用して、図９６Ａの基準ダイオードが順方向バイアス構成から逆バイアス構成に切り替えられるときの測定された電流を示す。 モニタ領域において拡散されたとき電荷状態を有するように適合されたモニタ原子を有し、内部に拡散したモニタ原子を有するモニタ領域に電界が印加されるとき、電界が、モニタ原子をモニタ領域から離して拡散させ、リザーバに戻らせるように、電界をモニタ領域に印加するように構成されている、摩耗モニタデバイスを示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスの様々な領域に電気的に接続された感知回路および／または制御回路を含むシステムを示す。 実施形態による、コア回路の摩耗をモニタするために構成されたセンサネットワークシステムを示す。 実施形態による、上流システムと通信可能に連結されたセンサネットワークを示す。 実施形態による、クラウドホストサービスと通信可能に連結されたセンサネットワークを示す。 実施形態による、センサが、プライベートサーバまたはホストサービスと直接通信することによってデータを収集するように構成される、センサネットワークを示す。 実施形態による、センサネットワークシステムへの組み込みのために、様々な摩耗モニタデバイスに作製され得る様々な物理的および電気的接続部を示す。 実施形態による、摩耗モニタデバイスアウトに基づく例示的なセンサネットワークシステムを示す。 実施形態による、ホストサービスと通信可能に連結されたセンサネットワークを示す。 実施形態による、ホストサービスと通信可能に連結されたセンサネットワークを示す。
特定の実施形態の以下の詳細な説明は、具体的な実施形態の様々な説明を提示する。しかしながら、本明細書に記載される技術は、例えば、特許請求の範囲によって定義および対象とされるように、多数の異なる方法で具体化され得る。本明細書において、参照は、同様の参照番号が実質的に同一のまたは機能的に同様の要素を示すことができる図面に対して行われる。図に示す要素は、必ずしも縮尺一定に描かれていないことが理解されるであろう。その上、特定の実施形態は、図面に示すよりも多くの要素および／または図面に示す要素の下位集合を含み得ることが理解されるであろう。さらに、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面からの特徴の任意の好適な組み合わせを組み込み得る。本明細書に提供される見出しは、便宜上のものであるに過ぎず、特許請求の範囲または意味に必ずしも影響を与えない。
本明細書に記載されるように、ＩＣデバイスの摩耗は、使用または環境要因によって引き起こされるＩＣデバイスの構成要素もしくはサブ構成要素の劣化現象を指す。本明細書に開示されるように、実施形態による摩耗モニタデバイスは、電源を使用するか、または使用しないで、コア回路の摩耗をモニタすることができ、比較的大きな範囲の物理的条件をモニタすることが可能である。加えて、本明細書に開示された実施形態による摩耗モニタは、集積化することができる、例えば、ＩＣのコア回路と同じ基板において、モノリシックに集積化することができる。実施形態による摩耗モニタデバイスは、拡散領域内または拡散領域中の拡散物質の拡散を利用して、コアデバイスの摩耗の指標を記録する。すなわち、実施形態は、半導体基板、例えば、シリコン基板における領域であり得、本明細書では、モニタ領域とも称される拡散領域において、本明細書では、モニタ原子とも称され得るモニタ原子である、特定の拡散する原子の原子拡散を利用し、製品の寿命にわたって、摩耗機構と関連する電気シグネチャ（例えば、温度、電圧、電流、またはそれらの任意の組み合わせ）をモニタし、記録し、および記憶する。モニタ原子は、摩耗モニタデバイスの一部として統合されることができ、ここで、摩耗応力によって引き起こされる正味移動、例えば、リザーバからリザーバと連通する拡散領域へのモニタ原子の正味移動は、摩耗モニタデバイスの電気シグネチャを変造する。電気シグネチャは、ＩＣのコアデバイスの摩耗の程度を定量化するために製品の寿命の任意の時点でモニタすることができる。モニタ原子の移動は、別個の電源を伴わずに起こり得るので、摩耗モニタデバイスは、「受動的」と見なされ得る。
本開示の実施形態は、多くの利点を提供する。モニタデバイスの有効な「電源」が、ドーパント濃度の濃度勾配によって提供されるため、これは、モニタ原子の拡散の推進力を提供し、例えば、その寿命にわたるＩＣデバイスの摩耗状態と関連する電気シグネチャは、電源を伴わずに記録され得る。代替的にまたは追加的に、不可逆的であり得るモニタ原子の移動は、製品が一定期間にわたって曝露された累積応力を「記録する」ための方法を提供する。代替的にまたは追加的に、拡散機構は、通常のセンサのサービス温度およびそれらのサポートしている回路を超えて広範な条件にわたって作用することができるため、開示される摩耗モニタデバイスは、比較的極端な条件において累積応力のシグネチャを提供することができる。代替的にまたは追加的に、拡散種としての好適なモニタ原子の選択は、異なる条件で、例えば、異なる期間にわたる異なる温度および電界の範囲下で、異なる摩耗効果をモニタするための好適なデバイス形状の選択と併せて有利に作製され得る。特定の実施形態では、基準デバイスを使用して、それに対してモニタ原子の時間発展の定量的モニタリングを行うことができる基準「初期条件」を提供することができると共に、摩耗モニタデバイスの精度を向上させるために、ドリフトとノイズを差別化することができる。例えば、摩耗モニタデバイスは、半導体基板においては、実質的に拡散しない「従来の」ドーパント（例えば、シリコン中のｐ型ドーパントＢおよびｎ型ドーパントＰおよびＡｓ）に加えて、基板において実質的に拡散するモニタ原子（開示されるインフラ）を有することができ、一方で、基準デバイスは、基準デバイスが、モニタ原子の濃度プロファイルが摩耗条件下で発展するにつれて提供され得る半永久的な「初期条件」を提供するように、モニタ原子を省略することができる。
図１は、同様に製造されたＩＣデバイスの所与の個体数に対する異なる故障メカニズム対時間（ｘ軸）の故障の速度（ｙ軸）を概略的に示すグラフ１０である。摩耗故障メカニズムは、一般に、故障率曲線１６によって表される、その故障率は、早期段階で優勢であり、デバイスサービス時間にわたって減少する、早期「初期故障」故障、故障率曲線１４によって表される、その故障率は、デバイスサービス時間には、比較的依存しない、偶発故障、および故障率曲線１２によって表される、その故障率は、デバイスサービス時間にわたって増加する、摩耗故障、の３つのカテゴリーに分類され得る。「バスタブ曲線」と時々称される観察された全体的な故障率曲線１８は、３つの故障率曲線の合計によって表されることができ、３つの故障率曲線１２、１４、および１６は、３つの領域：減少故障率領域、続いて相対的な一定の故障率領域、続いて増加故障率領域、を有するものとして記載され得る。
ウェーハファブの形状／構造は、特徴サイズ（例えば、臨界リソグラフィ寸法）において縮小し続けるので、一定故障領域の相対的な持続時間が減少すること、および、摩耗故障が大半を占める増加する故障領域が、サービス時間が増加するにつれて達成されることが観察されている。この観察に基づいて、特徴サイズが減少すると、半導体ダイ内の構成要素、サブ構成要素、または構造を特定することができるようにする必要性、ならびに、破滅的な故障の前に適切な処置が行われ得るように、それらに十分に早期に警告することができるようにする必要性が増大する。Ｅフィールドにおいて（仮定の／理論上のものとは、対照的に）ＩＣデバイスの実際のミッションプロファイル／動作条件をリアルタイムでモニタすることができる必要性、ならびに、偏差が生じる場合、適切な処置が行われ得るように警告することができる必要性も増大する。
摩耗モニタデバイスを備えるＩＣ装置
図２Ａおよび２Ｂは、様々な実施形態による、各々が摩耗モニタデバイス２４ａ／２４ｂ、例えば、オンチップ摩耗モニタデバイスを含む集積回路（ＩＣ）装置２０ａおよび２０ｂを示す。ＩＣ装置２０ａおよび２０ｂの各々は、様々な種類の累積応力（例えば、温度、電圧、電流、などの任意の組み合わせ）をモニタするためのコア回路２２ａ／２２ｂおよび摩耗モニタデバイス２４ａ／２４ｂを有する。様々な実施形態において、摩耗モニタデバイス２４ａ／２４ｂは、コア回路が起動されているかどうかにかかわらず、コア回路２２ａ／２２ｂの摩耗の指標を調整するように構成される。いくつかの実施形態では、コア回路２２ａ／２２ｂおよび摩耗モニタデバイス２４ａ／２４ｂは、それらが共通の摩耗応力に供されることができるように、ＩＣ装置２０ａおよび２０ｂの共通半導体基板内に形成される。例えば、熱摩耗をモニタするために、共通基板内に形成されたコア回路２２ａ／２２ｂおよびモニタデバイス２４ａ／２４ｂは、互いに熱伝達することができる。電気的摩耗をモニタするために、共通基板内に形成されたコア回路２２ａ／２２ｂおよびモニタデバイス２４ａ／２４ｂは、同様のプロセスを使用して互いに極めて接近して電気的に接続され、かつ加工され得る。機械的摩耗をモニタするために、共通基板内に形成されたコア回路２２ａ／２２ｂおよびモニタデバイス２４ａ／２４ｂは、同様の機械的応力、例えば、伸長、屈曲、熱膨張などに供され得る。結果として、モニタデバイス２４ａ／２４ｂによって経験された累積物理的応力は、コア回路２２ａ／２２ｂによって経験された累積物理的応力の代表的なものである。ＩＣ装置２０ａおよび２０ｂの各々は、摩耗モニタデバイス２４ａ／２４ｂに連結された検知回路２６ａ／２６ｂを含む。図２ＡのＩＣ装置２０ａとは異なり、図２ＢのＩＣ装置２０ｂは、コア回路２２ｂ内のデバイスの摩耗状態の定量的な決定のために検知回路２６ｂに電気的に接続された基準デバイス２８ｂを有する。
本明細書および明細書全体に記載されるように、ＩＣ装置が加工される半導体基板は、それに限定されるものでは、ないが、元素ＩＶ族材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、もしくはＳｎ）、またはＩＶ族材料で形成された合金（例えば、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＳｉＳｎＣ、ＧｅＳｎなど）、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＡｓなど）、またはＩＩＩ−Ｖ族材料で形成された合金、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料（ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅなど）、またはＩＩ−ＶＩ族材料で形成された合金で形成することができるドープされた半導体基板を含む様々な方法で実装することができる。半導体基板は、モニタ温度が約５００℃を超えると予想される用途用のＳｉＣなどの高温材料から形成され得る。
ある特定の実施形態によれば、基板は、絶縁体（ＳＯＩ）基板上のシリコンなどの、絶縁体上の半導体として実装され得る。ＳＯＩ基板は、典型的には、例えば、埋め込まれたＳｉＯ２層などの絶縁体層を使用して、上記の様々な構造が支持基板から単離される、ケイ素−絶縁体−ケイ素構造を含む。加えて、本明細書に記載される様々な構造は、表面領域にまたはその近くに形成されたエピタキシャル層内に少なくとも部分的に形成され得る。
摩耗モニタデバイス構造
図３Ａ−３Ｂは、実施形態による、応力状態に応答してその拡散速度が変化するモニタ原子を有する摩耗モニタデバイス３０ａ／３０ｂを示す。摩耗モニタデバイス３０ａは、摩耗応力、例えば、熱応力に供される前の初期のモニタデバイスを表し、摩耗モニタデバイス３０ｂは、熱応力に供された後のモニタデバイスを表す。摩耗モニタデバイス３０ａ／３０ｂは、半導体材料３２ａ／３２ｂ、例えば、第１の種類のドーパント、例えば、ドナー型ドーパントで濃度Ｎｄまでドープされた半導体基板と、モニタ原子３４ａ、例えば、濃度Ｎａまでのアクセプター型ドーパントとを備える。モニタ原子３４ａは、摩耗応力下で半導体材料３２ａにおいてまたはその中に拡散するように構成され、モニタ原子３４ａが拡散する速度は、摩耗応力レベルに応じて変化する。
図３Ａを参照すると、初期摩耗モニタデバイス構造３０ａの断面ＡＡ’を通じた初期概略濃度プロファイル３６ａは、垂直方向（ｘ）におけるモニタ原子Ｎａの比較的突発濃度プロファイルを示す。図３Ｂを参照すると、初期摩耗デバイス構造３０ａ（図３Ａ）は、摩耗応力、例えば、熱摩耗応力に供され、モニタ原子３４ａは、半導体材料３２ａ中に拡散し、結果として、応力後の摩耗モニタデバイス構造３０ｂ（図３Ｂ）においては、モニタ原子３４ｂが、半導体材料３２ｂ中に拡散されている。応力後の摩耗モニタデバイス構造３０ｂの断面ＢＢ’を通じた概略濃度プロファイル３６ｂは、垂直方向（ｘ）における比較的拡散濃度プロファイルを示す。以下に記載されるように、モニタ原子Ｎａの濃度プロファイルの変化は、様々な方法を使用して電気的に検出され得る。摩耗モニタデバイス３０ａ上の累積摩耗応力に起因するそのような変化は、そこからコア回路２２ａ／２２ｂ（図２Ａ／２Ｂ）の摩耗レベルが決定され得る、モニタデバイス構造３０ａ／３０ｂの電気特性における対応する変化を誘導することができる。
当然のことながら、図３Ａ−３Ｂおよび本明細書全体を通して、モニタ原子３４ａはアクセプター型ドーパントとして表すことができるが、実施形態は、そのように限定されないことが理解されるであろう。モニタ原子は、ドナー型ドーパントであってもよく、または、すべてにおいてドーパントではなく、むしろ不純物であり得る。さらに、モニタ原子３４ａは、アクセプター型ドーパントまたはドナー型ドーパントであり得るドーパントに加えて、存在し得る。
図３Ａ／３Ｂにおいておよび明細書全体を通して、モニタ原子３４ａは、１つ以上の化学元素を含み得ることがさらに理解されるであろう。
図４Ａは、実施形態による、摩耗モニタデバイス４０を示す。摩耗モニタデバイス４０は、例えば、濃度Ｎｄまでのドナーなどの第１の種類のドーパントで、および、濃度Ｎａを有するモニタ原子４４でドープされた半導体基板４２を備える。断面ＣＣ’を通じた概略初期濃度プロファイル４６ａは、垂直方向（ｘ）におけるＮａの比較的突発濃度プロファイルを示す。一方、断面ＣＣ’を通じた概略応力後の濃度プロファイル４６ｂは、垂直方向（ｘ）におけるＮａの比較的拡散濃度プロファイルを示す。特定の例示される実施形態では、シミュレーションされたモニタ原子４４は、１２５℃でシリコンに拡散するリン原子である。
図４Ｂは、実施形態による、図４Ａのモニタデバイス４０のモニタ原子４４の計算された濃度プロファイルのグラフ４８である。例示される実施形態では、計算された濃度は、１０４年間〜１０７年間の範囲の様々な時間にわたって拡散した後のシリコン内のリン（Ｐ）原子のものであり、ここで、ｘ軸は図４Ａの概略濃度プロファイル４６ａおよび４６ｂのｘ軸を表し、原点は、濃度プロファイル４６ａのＮｄプロファイルとＮａプロファイルとの間の初期界面に対応する。グラフ４８が示すように、１２５℃でのＳｉ中のＰの拡散速度が比較的低いため、例えば、濃度が初期濃度の約１％に落下した拡散長で測定した感知しうる拡散は、１０，０００年後に０．１ｎｍ未満である。すなわち、計算に基づいて、ある状況下では、例えば、理想的な条件リンは、熱摩耗応力下で拡散速度における変化をモニタするためのモニタ原子ではない場合がある。
図４Ａ／４Ｂによって示されるように、所与の拡散媒体、例えば、半導体基板のための適切なモニタ原子を選択することは、効果的な摩耗モニタデバイスアウトに重要であり得ることが理解されるであろう。拡散性は以下のように表現される。
発明者は、特定の範囲の拡散活性化エネルギー（Ｅａ）を有するために、モニタ原子／拡散媒体の組み合わせを選択することが望ましいことを見出した。例えば、シリコン中のリンの拡散性は、上述のように、３．６６ｅＶの活性化エネルギーによって活性化され、結果として、理想的な状況下で熱応力モニタとしての使用のために実用的ではない場合がある摩耗モニタデバイスとなる。説明の目的で、かつパラメータの任意の理論または精度に拘束さることなく、シリコン中の選択された原子の拡散性は、表１に列挙されるとおりである。
発明者らは、拡散性の活性化エネルギーＥａが、実施形態による摩耗モニタデバイスにおいて使用されるモニタ原子を選択するための１つの基準であり得ることを見出した。いくつかの実施形態において、モニタ原子は、半導体基板において、予想される熱摩耗応力および／または電気的摩耗応力に応じて、約０．５ｅＶ〜約３．５ｅＶ、約０．７５ｅＶ〜約２．５ｅＶ、または約１．０ｅＶ〜約１．６ｅＶの間にある拡散活性化エネルギーを有する。上記の表１に基づいて、いくつか挙げると、好適な原子は、Ａｌ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎａ、およびＫを含み得る。その上、好適なモニタ原子は、特定の実施形態において２つ以上の要素を含み得る。例えば、モニタ原子は、以下の要素のうちの２つ以上を含み得る。Ａｌ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎａ、またはＫ。
例として、図５Ａ〜５Ｄは、１年から１０年に及ぶ持続時間にわたって７５℃、１００℃、および１２５℃の温度でのシリコン中の金（Ａｕ）の濃度プロファイルの時間発展を示す。図５Ａを参照すると、図４Ａの摩耗モニタデバイス構造４０と同様の摩耗モニタデバイス構造（図示せず）の概略初期濃度プロファイル５０ａおよび概略応力後の濃度プロファイル５０ｂが示されている。モニタ原子が３．６６ｅＶの活性化エネルギーを有するリン（Ｐ）である図４Ａの概略濃度プロファイル４６ａおよび４６ｂとは異なり、概略濃度プロファイル５０ａおよび５０ｂは、モニタ原子が金（Ａｕ）原子であるものを表す。図５Ｂ〜５Ｄを参照すると、グラフ５２、５４、および５６はそれぞれ、１年〜１０年の範囲の様々な時間にわたって拡散した後の、７５℃、１００℃、および１２５℃での、シリコン中の金の計算された濃度プロファイルを示す。ここで、ｘ軸は、図４Ａの断面ＣＣ’を通じたｘ方向と同様の垂直拡散方向を表し、原点は、ＮｄプロファイルとＮａプロファイルとの間の初期界面に対応する。グラフ５２、５４、および５６が示すように、Ａｕは、７５℃、１００℃、および１２５℃の温度でＳｉにおいて、熱応力下の拡散速度における変化のモニタのためにより実用的である拡散速度を有する。例えば、Ａｕに関しては、濃度が初期濃度の約１％に落下した拡散長は、７５℃および１２５℃で、１０年後、それぞれ、約１６０ｎｍ〜約１６００ｎｍの間である。すなわち、図５Ｂ〜５Ｄに基づいて、Ｓｉ中のＡｕは、熱摩耗応力下の拡散速度のける変化をモニタするための、より実用的な拡散ステムであり得る。
図６Ａは、実施形態による、約０．５ｅＶ〜約３．５ｅＶの基板内の拡散活性化エネルギーを有するモニタ原子を有する摩耗モニタデバイス６０を示す。図６Ｂは、図６Ａの点線枠内の領域の拡大図である。図２Ａおよび２ＢのＩＣデバイス２０Ａおよび２０Ｂと同様に、摩耗モニタデバイス６０は、半導体基板６２と、その内部に拡散するモニタ原子を備えており、モニタ原子は、応力状態が、モニタ原子が半導体基板６２に拡散する速度に変化を生じさせるように、構成される。
摩耗モニタデバイス６０は、ｎ型またはｐ型であり得る第１のドーパント型を有する第１のドープ領域６４を含む。図６Ａ／６Ｂの例示される実施形態では、第１のドープ領域６４は、重度にドープされたｐ−ドープ領域、例えば、重度にドープされた（ｐ＋）領域である。
摩耗モニタデバイス６０は、第１のドーパント型とは反対の第２のドーパント型でドープされる第２のドープ領域６６をさらに含む。すなわち、第１のドープ領域６４がｎ−ドープである場合、ｐ−ドープされ、その逆もまた同様である。例示される実施形態では、第２のドープ領域６６は、ｎ−ドープ領域、例えば、重度にドープされた（ｎ＋）領域である。
いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイス６０は、第１または第２のドープ領域６４、６６よりも実質的に低い濃度で、第１または第２のドーパント型のいずれかとドープされる、第１および第２のドープ領域６４、６６の間に介在する介在領域６５をさらに含み得る。例示される実施形態では、介在領域６５は、ｐ−ドープ領域である。したがって、摩耗モニタデバイス６０は、Ｐ＋ＰＮ＋または構造として構成された第１および第２のドープ領域６４および６６と、介在領域６５とを含み得る。
図６Ｃは、図６Ｂの断面ＤＤ’に沿ったドーパントプロファイルを示すグラフである。プロファイル６７ａおよび６７ｃは、第１および第２のドープ領域６４、６６のｐ型およびｎ型ドーパントプロファイルを表す。加えて、プロファイル６７ｂは、基板６２のｐ型ドーパントプロファイルである。
図６Ａおよび６Ｂの摩耗モニタデバイス６０のドープ領域は、単なる例として示されており、他の実施形態が可能である。ここで、第１および第２のドープ領域６４および６６はそれぞれ、第１のドープ領域６４が、Ｐ＋、Ｐ、Ｐ−、Ｎ＋、Ｎ、Ｎ−領域のうちのいずれか１つを形成するようにドープされる一方で、第２のドープ領域６６が、第１のドープ領域６４とはドーパント型において反対であるＰ＋、Ｐ、Ｐ−、Ｎ＋、Ｎ、Ｎ−領域のうちのいずれか１つを形成するようにドープされるように、ドープされる。
介在領域６５が第１および第２のドープ領域６４と６６との間に存在する場合、Ｎ＋ＮＰ構造、Ｎ＋Ｎ−ＰまたはＮ＋ＩＰ構造、ＮＮ−Ｐ構造、ＮＩＰ構造、Ｐ＋ＰＮ構造、Ｐ＋Ｐ−Ｎ構造、Ｐ＋ＩＮ構造、ＰＰ−Ｎ構造、またはＰＩＮ構造のうちのいずれか１つが形成され得る。
本明細書および本開示全体において記載されるように、ドープ領域は、一般に、約１×１０１３ｃｍ−３と約１×１０２２ｃｍ−３との間のピークドーパント濃度を有し得る。加えて、Ｎ＋またはＰ＋領域として示される重ドープ領域は、約１×１０１８ｃｍ−３または約１×１０１９ｃｍ−３を超えるピークドーピング濃度を有し得る。加えて、Ｎ−またはＰ領域として示される軽ドープ領域は、約１×１０１４ｃｍ−３または約１×１０１３ｃｍ−３よりも低いピークドーピング濃度を有し得る。
図６Ａの摩耗モニタデバイス６０において、第１のドープ領域６４は、例えば、誘電層６３に形成された開口を介してｐ型ドーパントを注入することによって形成される。しかしながら、実施形態は、そのように限定されない。例えば、他のマスキング（例えば、フォトレジスト）およびドーピング（例えば、拡散）技術は、誘電層６３を注入マスクとして使用するか、またはそれに加えて使用され得る。
図６Ａ／６Ｂに戻って参照すると、摩耗モニタデバイス６０は、第１の電極６８ａおよび第２の電極６８ｂをさらに含み、それぞれが、誘電層６３の開口を介して、第１のドープ領域６４および第２のドープ領域６６に接触する。例示される実施形態において、第１の電極６８ａは、モニタ原子を含むか、またはモニタ原子で形成され、モニタ原子のリザーバとして機能する。第１の電極６８ａは、摩耗モニタデバイスが所定の持続時間にわたって所定の条件の組に供されるとき、第１の電極６８ａにおけるモニタ原子の一部が、第１のドープ領域６４と第２のドープ領域６４、６６との間に形成される空乏領域中に拡散するように構成される。基礎となる半導体材料中、例えば、空乏領域中の拡散したモニタ原子の濃度および／または深さに応じて、デバイス６０の累積摩耗歴、例えば累積熱摩耗歴が少なくとも間接的に決定され得る。
例として、図６Ｃは、１２５℃で様々な時間拡散した後に、図６Ａ／６Ｂの摩耗モニタデバイスのシリコンデバイス基板における金の計算された濃度プロファイルを示すグラフ６９である。特に、濃度プロファイル６７ｄは、１２５℃で１〜１０年にわたって拡散した後の金の濃度プロファイルを示す。空乏領域中のドーパントの深さおよび／または濃度に関する情報を取得することによって、ならびに、表１にあるものなどの既知の拡散性方程式を使用して、累積熱履歴、または熱摩耗レベルを得ることができる。
実施形態によれば、第１のドープ領域６４、第２のドープ領域６６および介在領域６５の、ドーパントの濃度および寸法／構成は、所望のデバイス属性が得られるように選択されると理解されるであろう。例えば、例示される実施形態では、介在領域６５が第２のドープ領域６６と比較して低い濃度にドープされるため、比較的より大きい空乏領域がその中に形成される。モニタ原子が空乏領域中に拡散するとき、空乏領域の様々な電気特性は、以下のようにさらに詳細に論じられるように、空乏領域内のモニタ原子の相対濃度を定性的におよび／または定量的に決定され得る。したがって、空乏は、拡散し得るモニタ原子の量を定量化するためのモニタ領域として機能することができ、ここから、累積熱履歴が決定され得る。
したがって、構成されているように、図６Ａ／６Ｂの摩耗モニタデバイス６０は、基板の表面に配設されたモニタ原子（例えば、第１の電極６８ａ）のリザーバと、基板内に形成されたモニタ領域（例えば、介在層６５内の空乏領域）とを有する。モニタ原子は、摩耗モニタデバイスが、所定の持続時間にわたって所定の応力状態の組に供されるとき、モニタ原子の一部はモニタ領域中に拡散するように、基板の半導体材料において拡散特性を有する。リザーバは、例えば、モニタ原子を含む電極、またはモニタ原子で形成された層を含むことができる。例えば上述したように、モニタ領域は、基板内に領域、例えば、ＰＮ接合部によって形成された空乏領域を含むことができる。
図６Ａ／６Ｂの摩耗モニタデバイス６０を含む摩耗モニタデバイスの様々な実施形態は、モニタ領域内のモニタ原子の存在と関連する電気特性または電気シグネチャが測定され得るように構成される。電気シグネチャは、例えば、いくつか挙げると、接合部漏れ、接合部静電容量、接合部内蔵電位、接合部逆回復時間、バイポーラベース走行時間（ｆＴ）、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタ閾値電圧、ＭＯＳトランジスタ閾値スイング、ＭＯＳチャネル漏れ、パンチスルー破壊電圧（ＢＶ）、および衝撃イオン化破壊電圧（ＢＶ）のうちのいずれか１つまたは複数であり得る。
モニタ原子の一部をモニタ領域に拡散させる所定の応力状態および所定の持続時間の組は、例えば、約２０℃〜約２５０℃、約５０℃〜約２００℃、または約７５℃〜約１２５℃の間の温度範囲、例えば、約０．０１ＭＶ／ｃｍ〜約１０００ＭＶ／ｃｍ、約０．１ＭＶ／ｃｍ〜約１００ＭＶ／ｃｍ、または約１ＭＶ／ｃｍ〜約１０ＭＶ／ｃｍの間の電界、および、約１日〜約１０００年、約１カ月〜約１００年、または約１年〜１０年の間の持続時間を含むことができる。いくつかの実施形態では、摩耗モニタデバイスは、所定の条件および所定の持続時間の組み合わせに基づいて、モニタ原子が配設される表面とモニタ領域との間の距離が、拡散長、例えば、濃度がピーク表面濃度の約１／ｅに減少する距離となるように計算される任意の距離であり得るように、構成される。
図２Ｂに戻って参照すると、いくつかの実施形態では、いくつかのＩＣデバイスは、同じ半導体基板上にモニタリングデバイスおよび基準デバイスを備える。図７Ａおよび７Ｂは、そのような実施形態による、摩耗モニタデバイス６０および基準デバイス７０を示す。図７Ａの摩耗モニタデバイス６０は、第１の電極６８ａおよび第１のドープ領域６６の第２の電極６８ｂに対する相対位置を除いて、図６Ａ／６Ｂの摩耗モニタデバイス６０と同様であるか、または実質的に同一であり、この変更は、摩耗モニタデバイス６０の動作を変更するものではなく、したがって、摩耗モニタデバイス６０の詳細な説明はここでは省略する。図７Ｂの基準デバイス７０は、電極を除いて、図７Ａの摩耗モニタデバイス６０と同様であるか、または実質的に同一である。
基準デバイス７０は、図６Ａ／６Ｂに関して上述された耗モニタデバイス６０のＰＮ接合部と同様の第２のＰＮ接合部を形成する第１および第２のドープ領域６４、６６を含む。基準デバイス７０の第１の電極７８ａは、図７Ａの第１の電極６８ａのモニタ原子とは異なる拡散特性を有する材料で形成され得る。ＩＣ内のモニタされたデバイスの摩耗レベルは、モニタ原子と第１の電極７８ａの電極材料との間の拡散特性の差を使用して決定され得る。一旦加工されると、基準デバイス７０の第１の電極７８ａの原子は、モニタ原子が図７Ａのモニタデバイス６０に拡散する条件下では、基礎となる半導体材料に実質的に拡散しない。例えば、基準デバイス７０の第１の電極７８ａは、いくつか挙げると、重度ドープポリシリコン、タングステン、Ｗ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＴａＮ、ＴａＣＮ、ＮｉＳｉ、ＷＳｉなどで形成され得る。すなわち、摩耗モニタデバイス６０および基準デバイス７０の両方を含むＩＣデバイスが摩耗応力に供されるとき、摩耗モニタデバイス６０のモニタ原子は、それらが基礎となる半導体材料中、例えば、ＰＮ接合部に形成された空乏領域中に拡散するように十分な拡散長さを有する。対照的に、基準デバイス７０の第１の電極７８ａの原子は、基礎となる半導体材料が、ＩＣデバイスが摩耗応力に供された後の第１の電極７８ａの原子を本質的に含まないように、無視できる拡散長（例えば、いくつかのオングストローム未満）を有する。
したがって、図７Ａおよび７Ｂの例示される実施形態では、ＩＣデバイスは、内部に組み込まれた基準デバイス７０および摩耗モニタデバイス６０を有する。これらは、同様である、例えば、それぞれの第１の電極７８ａ、６８ａの材料を除いて本質的に同一である。例えば、摩耗モニタデバイス６０および基準デバイス７０の各々は、Ｐ＋ＰＮ＋接合部またはＮ＋ＮＰ＋接合部などのＰＮ接合部を含む。ここで、接合は内部に空乏領域が形成されており、ここから、内部に拡散するモニタ原子と関連する電気信号が、様々な技術、例えば、逆バイアス漏れを使用して検出され得る。しかしながら、他の実施形態は、可能である．例えば、それぞれの第２の電極７８ｂ、６８ｂの材料は、それぞれの第１の電極７８ａ、６８ａの代わりに、またはそれに加えて異なってもよい。例えば、第２の電極７８ｂは、第１の電極７８ａの代わりに、またはそれに加えて、モニタ原子を含み得る。
図２Ａおよび２Ｂの実施形態に関して上述されたように、モニタ原子は、基礎となる半導体材料中に拡散するように構成されているが、いくつかの実施形態によって、コア回路および／または基準デバイスも有するＩＣの同じ基板においても統合され得る。しかしながら、適切な注意を払わなければ、モニタ原子は、摩耗モニタデバイスからＩＣの他の部分、例えばコア回路および／または基準デバイスなどにまで、拡散する可能性があり、望ましくない。加えて、いくつかのモニタ原子は、粒界、転位、または界面などの結晶不完全性の存在に起因して、バルク拡散性に基づいて、それらの予想される速度よりも迅速に拡散し得る。しかしながら、多くのモニタデバイス原子は、半導体デバイスをひどく劣化させることが知られている。例えば、原子をモニタするための良好な候補であり得る多くの金属、例えば、金および銅は、シリコン中のミッドギャップまたは深いレベルトラップとして知られるものを形成することが知られている。ミッドギャップ中心または深いレベルトラップは、半導体材料のバンドギャップの中央近くのエネルギー状態を占める。動作中、過剰な小数キャリア、例えば、ｐ型半導体領域内の電子、またはｎ型半導体領域内の穴内の電子は、コア回路内の半導体デバイスで作製され、モニタ原子の意図しない存在によって作製されたミッドギャップ中心は、とりわけ少数キャリアの寿命劣化や漏れの増加によってデバイスの性能に悪影響を及ぼし得る。加えて、基準デバイス中のモニタ原子の存在は、基準デバイスとしてその目的を無効にし得る。したがって、様々な実施形態において、モニタ原子の拡散が摩耗モニタデバイスの外側の半導体デバイスに悪影響を及ぼさないように、それらの拡散をブロックすることが望ましい場合がある。
６Ａ／６Ｂおよび７Ａ／７Ｂを参照すると、摩耗モニタデバイスからのモニタ原子の望ましくない拡散を制限するために、摩耗モニタデバイス６０および基準デバイス７０の各々は、一方または両方の側に横方向に、例えば、シャロートレンチアイソレーション領域を有してもよい。加えて、摩耗モニタデバイス６０および基準デバイス７０の各々は、埋め込まれた隔離領域６１ｂ、例えば、隔離領域６１ａおよび６１ｂで形成された隔離タブが、第１および第２のドープ領域６４および６６、および介在領域６５を囲むように、隣接する絶縁領域６１ａの間に横方向に延在する、シリコンオン絶縁体（ＳＯＩ）の埋め込まれた酸化物（ボックス）を有し得る。隔離タブは、摩耗モニタデバイス６０から、例えば、基準デバイス７０および／または同じ基板に形成されたコア回路内のデバイス（明確にするためには、図示せず。図２Ａ／２Ｂを参照）を含む、ＩＣデバイスの他の部分へのモニタ原子の意図しない横方向および垂直方向の拡散を防止するように構成されている。
図２Ａおよび２Ｂに関して上述されたように、実施形態によるＩＣデバイスは、モニタ原子の原子と関連する電気シグネチャを検知するための検知回路を含み、そこから、摩耗応力、例えば、ＩＣデバイスが供されている可能性がある熱摩耗応力または電気的摩耗応力の累積履歴を決定する。例えば、図６Ａ／６Ｂおよび７Ａ／７Ｂに関して記載された摩耗モニタデバイス６０および基準デバイスの各々について、逆バイアスは、第１の電極６８ａ、７８ａと第２の電極６８ｂ、７８ｂとの間に印加されてもよく、これにより、逆バイアス漏れがＰＮ接合部にわたって測定され得るようになる。それぞれの空乏領域内の不純物原子の濃度に比例し得る、摩耗モニタデバイス６０と基準デバイス７０との間の逆バイアス電流を比較することによって、コア回路内のモニタされたデバイスの摩耗の程度の測定を決定することができる。
図８を参照すると、いくつかの他の実施形態による摩耗モニタデバイス８０が示されている。摩耗モニタデバイス８０の構造的特徴は、図６Ａ／６Ｂの摩耗モニタデバイス６０の対応する特徴と類似しており、したがって、詳細な説明は、本明細書では省略される。摩耗モニタデバイス８０は、例えば、コア回路内のモニタされた構造を通過した累積電流に関連する摩耗の程度をモニタするための電流モニタとして構成され（明確にするためには、図示せず。図２Ａ／２Ｂを参照）、コア回路内の同様のデバイスであり得る。モニタ構造をモニタされた構造と電気的に直列に設置することにより、例えば、モニタされた構造を通過した累積電流をモニタすることができる。例示される実施形態では、電流は、摩耗モニタデバイスのジュール加熱によって引き起こされるモニタ原子の拡散速度の効果を測定することによって、間接的にモニタされる。動作中、摩耗モニタデバイス８０のＰＮ接合部は、電流ベースの摩耗応力を繰り返し生成するためにモニタされた構造と直列に順方向バイアスされている。図８において、ジュール加熱が生じる領域は、拡散材料（例えば、Ａｕ）を含む第１の電極６８ａと第２の電極６８ｂとの間で順方向バイアスされたＰＮ接合部と直列に形成された抵抗器として表される。順方向バイアスに応答して、モニタ構造の直列抵抗器は、第１の電極６８ａ中のモニタ原子を、基礎となる基板、例えば、ＰＮ接合部に形成された空乏領域に拡散させる熱を生成する。図示されていないが、ＩＣは、図７Ｂの基準デバイス７０と同様の基準デバイスを含み得る（明確にするためには、図示せず。図２Ｂを参照）が、これは、モニタ原子を有さない。代替的に、基準デバイスは、順方向電流ベースの摩耗応力を受けるように構成されていないことを除いて、摩耗モニタデバイス８０と同様であるか、または実質的に同一であってよい。その後、摩耗モニタデバイス８０と基準デバイスとの間の逆バイアス電流を比較することによって、モニタされた構造の摩耗状態は、そこから上記と同じように決定することができる。
図９を参照すると、いくつかの他の実施形態による摩耗モニタデバイス９０が例示されている。摩耗モニタデバイス９０は、例えば、コア回路内のモニタされたデバイス（明確にするためには、図示せず。図２Ａ／２Ｂを参照）に印加される累積電界ベースの摩耗応力をモニタするための、電圧モニタまたは電界モニタとして構成される。摩耗モニタデバイス９０の構造的特徴は、図６Ａ／６Ｂの摩耗モニタデバイス６０の対応する特徴と類似しており、したがって、詳細な説明は、本明細書では省略される。摩耗モニタデバイス９０は、逆バイアスされ電気的に接続される、例えば、逆バイアスされたＰＮ接合部によって生成される電界から繰り返される電界ベースの摩耗応力を受けるために、モニタされたデバイスと電気的に並列に接続されるように構成される。電界ベースの摩耗応力に応答して、モニタされた不純物原子、例えば、荷電不純物原子は、モニタされた領域、例えば、逆バイアスされたＰＮ接合部の空乏領域へ拡散するようにされてもよい。ＩＣデバイスは、図７Ｂの基準デバイス７０と同様の基準デバイス含み得る（明確にするためには、図示せず。図２Ａ／２Ｂを参照）が、これは、拡散するモニタ原子を有さない。代替的に、基準デバイスは、逆バイアスされたＰＮ接合部によって引き起こされる電界摩耗応力を受けるように構成されていないことを除いて、摩耗モニタデバイス９０と実質的に同一であってよい。その後、摩耗モニタデバイス９０と基準デバイスとの間の逆バイアス電流を比較することによって、モニタされた構造の摩耗は、そこから決定することができる。
図１０Ａおよび１０Ｂを参照すると、ＰＮ接合部の摩耗レベルをモニタするために構成された摩耗モニタデバイス１００ａ／１００ｂが例示されている。図１０Ａおよび１０Ｂは、使用関連摩耗応力、例えば、繰り返し摩耗応力に、供される前（１００ａ）および供された後（１００ｂ）の摩耗モニタデバイスを表す。摩耗モニタデバイス１００ａ／１００ｂは、濃度Ｎｄまで第１のドーパント型、例えば、ドナーとドープされた第１のドープ領域１０２ａ／１０２ｂと、濃度Ｎａまで第２のドーパント型、例えば、アクセプターとドープされた第２のドープ領域１０４ａ／１０４ｂとを備える。第２のドープ領域１０４ａ／１０４ｂは、モニタ原子を備えており、モニタ原子は、基礎となる半導体材料中に、例えば、ＰＮ接合部の空乏領域中に拡散するように構成される。いくつかの実施形態では、モニタ原子は、濃度Ｎａを有するアクセプター原子に加えて存在し得る。他の実施形態では、モニタ原子は、濃度Ｎａを有するアクセプター原子が少なくとも部分的にモニタ原子であり得るように、アクセプター原子として機能し得る。他の実施形態では、モニタ原子は、図６Ａ／６Ｂに関して上述されたように、電極層の一部として存在し得る。上述のように、摩耗応力は、モニタ原子が基礎となる半導体材料中に拡散する速度の変化を引き起こす。初期摩耗モニタデバイス１００ａの断面ＤＤ”を通じた初期概略濃度プロファイル１０６ａは、垂直方向（ｘ）におけるＮａの比較的突発濃度プロファイルを示す。摩耗モニタデバイス１００ａは、図８に記載されるように順方向バイアスにおいて、および／または図９に記載されるように逆バイアスにおいて、摩耗応力、例えば、図６Ａ〜６Ｃに記載されるような熱摩耗応力に供される。摩耗応力に供された後、サイクルされた摩耗モニタデバイス１００ｂの断面ＤＤ’を通じた概略濃度プロファイル１０６ｂは、垂直方向（ｘ）における比較的拡散濃度プロファイルを示す。濃度プロファイル１０６ａおよび１０６ｂと関連する電気シグネチャ（例えば、逆バイアス漏れ）を比較することによって、モニタされた構造１０６ｂの摩耗状態が決定され得る。
図１１Ａ−１１Ｂは、隣接する重ドープ領域間のパンチスルー特性をモニタするために構成された摩耗モニタデバイス１１０ａ／１１０ｂを示す。本明細書に記載されるように、パンチスルー効果は、２つの分離された隣接する重ドープ領域の空乏領域がマージする現象を指す。例えば、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタにおいて、ソースとドレインとの間のパンチスルー効果は、ドレイン−ソース電圧を増加させ、チャネル電流の急速な増加を引き起こす。これは、パンチスルーが起こる電圧がＩＣデバイスの動作電圧を制限し得るため望ましくない可能性がある。図１１Ａ−１１Ｂは、使用関連摩耗応力に、供される前（１１０ａ）および供された後（１１０ｂ）の摩耗モニタデバイスを表す。摩耗モニタデバイス１１０ａ／１１０ｂは、摩耗モニタデバイス１００ａ／１００ｂは、濃度Ｎｄまで第１のドーパント型、例えば、ドナーとドープされた埋め込まれたドープ領域であり得る、第１の重ドープ領域１１６ａ／１１６ｂと、濃度Ｎａまで第２のドーパント型、例えば、アクセプターとドープされた第２の重ドープ領域１１４ａ／１１４ｂとを備える。いくつかの実施形態では、モニタ原子は、濃度Ｎａを有するアクセプター原子に加えて存在し得る。他の実施形態では、モニタ原子は、濃度Ｎａを有するアクセプター原子が少なくとも部分的にモニタ原子であり得るように、アクセプター原子として機能し得る。他の実施形態では、モニタ原子は、図６Ａ／６Ｂに関して上述されたように、電極層の一部として存在し得る。モニタ構造の繰り返しサイクル後、第１の重ドープ領域１１６ａ／１１６ｂおよび第２の重ドープ領域１１４ａ／１１４ｂを繰り返し逆バイアスさせることによって、第１の重ドープ領域１１６ａ／１１６ｂと第２の重ドープ領域１１４ａ／１１４ｂとの間の有効幅は、ＷからＷ’へ減少し、関連する電気シグネチャ（例えば、パンチスルー電圧）を使用して、そこからコア回路内のモニタされたデバイスの摩耗状態を決定し得る。
図１２を参照すると、図１１Ａ−１１Ｂの摩耗モニタデバイス１１０ａ／１１０ｂと同様であり、隣接する重ドープ領域間のパンチスルー特性をモニタするために構成された、摩耗モニタデバイス１２０ａ／１２０ｂが例示されている。しかしながら、図１１Ａ−１１Ｂの摩耗モニタデバイス１１０ａ／１１０ｂとは対照的に、第１の重ドープ領域１２４ａ／１２６ａおよび第２の重ドープ領域１２４ｂ／１２６ｂは、垂直方向に分離される代わりに横方向に分離される。モニタ原子は、図１１Ａ−１１Ｂに関して上述したのと同様の様式で、第１および第２の重ドープ領域１２４ａ、１２４ｂのうちの一方または両方に存在し得る。図１２は、図１１Ａ−１１Ｂに関して上述したのと類似の方法で、使用関連摩耗応力に供される前（１２０ａ）および供された後（１２０ｂ）の摩耗モニタデバイスを表す。図１１Ａ−１１Ｂに関して上述したのと類似の方法で、第１の重ドープ領域１２４ａ／１２６ａと第２の重ドープ領域１２４ｂとの間の有効幅は、ＷからＷ’へ減少し、関連する電気シグネチャ（例えば、パンチスルー電圧）を使用して、そこからモニタされた構造の摩耗状態を決定し得る。
図１３Ａ−１３Ｂを参照すると、実施形態による、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタのチャネル劣化をモニタするために構成された摩耗モニタデバイスが例示されている。摩耗モニタデバイス１３０ａ／１３０ｂは、ソース１３２、および半導体基板１３２内に形成されたドレイン１３４を備える。摩耗モニタデバイス１３０ａ／１３０ｂは、ゲート誘電体１３５およびゲート１３６ａ／１３６ｂを追加的に備える。図１３Ａ−１３Ｂは、使用関連摩耗応力に供される前（１３０ａ）の、および供された後（１３０ｂ）の、摩耗モニタデバイスを表す。摩耗モニタデバイス１３０ａ／１３０ｂは、例えば、モニタされたデバイスの使用関連摩耗（明確にするためには、図示せず。図２Ｂを参照）をモニタするために使用することができる。これは、コア回路において同様に構成されたＭＯＳトランジスタであり得る。摩耗モニタデバイス１３０ａ／１３０ｂにおいて、モニタ原子は、ＭＯＳトランジスタとして構成された摩耗モニタデバイス１３０ａ／１３０ｂのソース１３２、ドレイン１３４、またはゲート１３６ａ／１３６ｂのうちのいずれか１つに配設され得る。摩耗応力、例えば、熱応力に供した後、またはモニタされた構造と同様の方法で摩耗モニタデバイス１３０ａ／１３０ｂ繰り返しサイクルの後、モニタされたデバイスの摩耗レベルが決定され得る。例えば、摩耗応力に供された摩耗モニタデバイス１３０ｂを、摩耗応力を経ていない別のモニタ構造であり得る基準デバイス（明確にするためには、図示せず。図２Ｂを参照）と比較することによって、関連する電気シグネチャを使用して、そこからモニタされた構造１３０ａ／１３０ｂの摩耗状態を決定し得る。例えば、モニタ原子は、図１３Ａの初期チャネル領域１３８ａ中に拡散し、図１３Ｂの拡散チャネル領域１３８ｂを形成し得る。そのような劣化は、例えば電流電圧測定などのトランジスタパラメータを測定することによって検出され得る。
図１４Ａ−１４Ｂを参照すると、いくつかの実施形態による、摩耗モニタデバイスを製造する方法が例示されている。具体的には、本方法は、モニタ原子のリザーバを形成することに関する。金の層などのモニタ原子の層に直接接触することにより、接着不良による接触不良および／または剥離などの欠陥をもたらし得ることが理解されるであろう。任意の理論に束縛されるものではないが、そのような欠陥は、いくつかの拡散材料と半導体基板との間の比較的高い界面エネルギーによって引き起こされ得る。そのような欠陥なしでかかる不純物原子のリザーバを作製するために、拡散材料の純粋な層の代わりに、拡散材料を有する混合物層が形成され得る。混合物は、他の形態の混合物のうち、合金層、化合物、ドープ層、または機械的混合物であってもよい。
一例として、中間モニタ構造１４０ａは、図１４Ａに示されており、これは、図６Ａ／６Ｂに関して上述されたモニタ構造と同様に、介在領域１４５が介在する第１のドープ領域１４４および第２のドープ領域１４６が形成される基板１４２を備える。図６Ａ／６Ｂとは異なり、モニタ原子の層、例えば、金原子を第１のドープ領域の表面上に直接形成する代わりに、ポリシリコン層などの接着層１４９は、モニタ原子の層１４８ａと第１のドープ領域１４４の基礎となる半導体材料との間に形成され得る。その後、中間モニタ構造１４０ａは、熱アニールに供され、接着層、例えば、金などのモニタ原子で含浸された、または少なくとも部分的に浸透されたポリシリコン層を有する摩耗モニタデバイス１４０ｂをもたらし得る。したがって、モニタ原子のリザーバとして機能する電極１４８ｂは、モニタ原子の純粋な層と比較して、基礎となるシリコンとの改善された接着特性を有して形成される。他の実施形態は可能である。例えば、金およびポリシリコンの混合層は、シリコン表面上に直接形成され得る、または比較的高い接着特性を保持し得る誘電材料またはカルコゲニド材料などの別の材料は、介在層１４９として使用され得る。介在層および形成方法の特定の組み合わせは、使用される特定の摩耗拡散材料の種類および濃度に依存することが理解されるであろう。
図１５Ａ〜１５Ｄを参照すると、実施形態による、ＰＮ接合部を含む摩耗モニタデバイスの様々な構成１５０ａ〜１５０ｄが例示されている。構成１５０ａ〜１５０ｄの各々において、ＰＮ接合部は、基板１５２内に形成され得る。第１のドーパント型でドープした第１のドープ領域１５４ａ〜１５４ｄは、モニタ原子のリザーバとして機能する第１の電極１５８ａ〜１５８ｄと接触し、一方、第２のドーパント型でドープした第２のドープ領域は、様々な構成において形成される。構成１５０ａ〜１５０ｄにおいて、第２のドープ領域は、基板１５２（図１５Ａ）として構成され、ウェル１５５ｂ（図１５Ｂ）は、基板１５２内に形成され、埋め込まれたコレクタ領域１５６ｃは、基板１５２内に形成され（図１５Ｃ）、埋め込まれたコレクタ領域１５６ｄは、基板１５２内に形成されたウェル１５５内に形成される（図１５Ｄ）。第１および第２のドープ領域のドーパント濃度は、モニタ領域の特徴を調整するために、上記に記載されるように、例えば、内部に形成された空乏領域の寸法を調整するために、および／または内蔵電圧を調整するために、変更され得ることが理解されるであろう。例えば、比較的大きな空乏領域が所望される場合、リザーバに接触するドープ領域は重度にドープされてもよく、リザーバに接触しないドープ領域は比較的軽度にドープされてもよい。
図１６Ａ〜１６Ｄを参照すると、実施形態による、摩耗モニタデバイスの様々な構成が例示されており、ここで、基礎となる基板中に拡散するモニタ原子の流動または拡散の速度は、基板へのアクセスを物理的に限定することによって制御される。図１６Ａを参照すると、モニタ原子のリザーバとして機能する第１の電極１６８ａと第１のドープ領域１６４ａの間の接触領域（幅によって表される）は、基板上に形成される誘電マスク１６３を通る開口のサイズを制限することによって制限され得る。これにより、モニタ原子の基板中の拡散を限定する。図１６Ｂを参照すると、誘電マスク１６３を通る開口のサイズを制限することに加えて、開口の数は、必要に応じてさらに増加または減少させることができる。図１６Ｃを参照すると、第１の電極間の接触領域は、追加の拡散ブロッキング層１６５、例えば、窒化物層を、フィールド酸化物間にまたはそこを通して形成される開口に形成することによってさらに低減され得る。図１６Ｄ〜１６Ｅを参照すると、基礎となる基板中への拡散のために利用可能なモニタ原子の流動は、モニタ原子のリザーバとして機能する第１の電極１６８ａ〜１６８ｄ下の接着層１６９ｄ−１６９ｇを使用して、さらに制限され得る。図１６Ｄ、１６Ｅおよび１６Ｆの摩耗モニタデバイス１６０ｄ、１６０ｅ、１６０ｆは、それぞれ、接着層１６９ｄ〜１６９ｆの存在を除いて、図１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃの摩耗モニタデバイス１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃと実質的に同一である。接着層１６９ｄ〜１６９ｆは、例えば、ポリシリコンで形成することができ、それぞれの第１の電極１６８ａ、１６８ｂ、および１６８ｃと、それぞれの第１のドープ領域１６４ａ、１６４ｂ、および１６４ｃとの間に介在することができる。図１６Ｇを参照すると、第１の電極１６８ｃと第１のドープ領域１６４ｃとの間の接触領域は、スペーサ１６７、例えば、窒化物スペーサ層を、追加の拡散ブロッキング層１６５を通して形成される開口に形成することによって、さらに低減され得る。
図１７Ａおよび１７Ｂを参照すると、実施形態による、バイポーラ接合部トランジスタ（ＢＪＴ）として構成された摩耗モニタデバイス１７０ａおよび１７０ｂを例示されている。不純物原子のリザーバとして機能する第１の電極１７８ａによって接触される、第１のドーパント型でドープされた第１のドープ領域１７４は、表面領域に形成され、ＢＪＴのエミッタとして構成され得る。第２の電極１７８ｂによって接触される、第１のドーパント型とは反対の第２のドーパント型でドープされた第２のドープ領域１７５は、ＢＪＴのベースとして機能し得る。第３の電極１７８ｃによって接触される、第１のドーパント型でドープされた第３のドープ領域１７６ａおよび１７６ｂは、ＢＪＴのコレクタとして機能し得る。図１７ａでは、コレクタ領域は、深いウェルで形成され、一方、図１７Ｂでは、コレクタ領域は、埋め込まれたコレクタ領域で形成されている。加えて、図１７Ｂにおいて、第１のドーパント型でドープされた埋め込まれた領域は、第２のドーパント型でドープされたウェルの下に形成することができ、これにより、ＢＪＴのベース／コレクタ接合部を形成する。したがって、形成されたＢＪＴは、熱、電流、および／または電圧ストレスを含む様々なストレスに起因する摩耗をモニタするために構成することができる。
図１８Ａ〜１８Ｄを参照すると、コア回路におけるモニタされた構造の摩耗をモニタするための、実施形態による、ＭＯＳトランジスタとして構成された摩耗モニタデバイス１８０ａ〜１８０ｄが例示されており、これは、例えば、コア回路において同じ基板上の他の場所の同様に構成されたＭＯＳトランジスタであり得る。摩耗モニタデバイス１８０ａ〜１８０ｄの各々は、ソース１８２と、半導体基板１８２内に形成されたドレイン１８４と、を備える。摩耗モニタデバイス１８０ａ〜１８０ｄの各々は、ゲート誘電体１８５およびゲート１８６ａ〜１８６ｄを追加的に備える。摩耗モニタデバイス１８０ａ〜１８０ｄの各々は、モニタ原子のリザーバを配置するための異なる構成を有する。例えば、モニタ原子は、ゲート１８６ａ（図１８ａ）にわたって、別個の層１８９ａ、例えば、ポリシリコン層として配設され得、ゲート１８６ｂにわたって、別個の層１８９ｂ（図１８Ｂ）、例えば、拡散材料でドープされた埋め込まれた酸化物として配設され得るか、またはソース１８２およびドレイン１８４のうちの一方または両方にわたって、ソース／ドレイン１８２／１８４上に直接、モニタ原子の層１８７ｃとして（図１８Ｃ）、またはソース／ドレイン１８２／１８４上に形成されたモニタ原子とドープされたリザーバ層１８７ｄとして（図１８Ｄ）、配設され得る。ゲート１８６ａ／１８６ｂ上にまたはその一部として配設されるとき、摩耗モニタデバイス１８０ａ／１８０ｂは、閾値電圧、閾値勾配、界面電荷、ゲート誘電体（例えば、絶縁膜経時破壊）、オフ状態漏れ、オンオフ比、ホットチャネル注入などにおける劣化と関連する様々な摩耗モニタ機構をモニタするために使用され得る。ソース１８２およびドレイン１８４上にまたはその一部として配設されるとき、摩耗モニタデバイス１８０ｃ／１８０ｄは、パンチスルー、短チャネル効果、接合部静電容量などをモニタするために使用され得る。
図１９Ａを参照すると、実施形態による、摩耗状態のインジケータとしてインピーダンスを感知するように構成された摩耗モニタが、例示されている。摩耗モニタデバイス１９０ａは、第１の端子Ｔ１に共通接続されているモニタ構造１９４ａおよび基準構造１９２を内部に形成されて有する基板１９８を有する。参照構造１９２は、第２の端子Ｔ２にさらに接続され、モニタ原子でドープされた不純物領域１９３を有する。モニタ構造１９４ａは、第３の端子Ｔ３にさらに接続され、基準構造１９２の不純物領域１９３と同じモニタ原子でドープされた不純物領域１９６ａを有する。基準構造１９２の不純物領域１９３は、拡散障壁構造１９５によって取り囲まれているが、そのような包囲体は、モニタ構造１９４には存在しない。いくつかの実施形態では、不純物領域１９３および不純物領域１９３は、モニタ原子の同じまたは類似の濃度プロファイルを有する。摩耗応力、例えば、熱摩耗応力を受けると、不純物領域１９３におけるモニタ原子の制限された拡散と比較して不純物領域１９６ａにおけるモニタ原子の自由拡散に起因して、モニタ構造１９４ａの不純物領域１９６ａは、初期濃度と比較して、かつ、モニタ構造１９４ａの不純物領域１９６ａと比較して、より低い濃度のモニタ原子を有することになる。対照的に、基準構造１９２の不純物領域１９２では、不純物原子の濃度は比較的変化がないことになる。コア回路内のモニタされたデバイスの摩耗の程度（明確にするためには、図示せず。図２Ａ／２Ｂを参照）は、インピーダンス測定において結果として生じる変化に基づいて測定され得、これは、小さな時間スケールで、および／またはより低い温度で、モニタ不純物原子の濃度における比較的小さな変化を解消することができ、これにより、摩耗モニタデバイス１９０ａを貯蔵寿命用途に特に好適にする。図１９Ｂは、Ｔ１およびＴ２の間で測定された基準構造１９２のインピーダンスＺａ、ならびにＴ１およびＴ３の間で測定されたモニタ構造１９６ａのインピーダンスＺｂ（ｔ）の時間発展を概略的に示すグラフ１９１を示す。例示されるように、Ｚａは、摩耗応力を受けた後、比較的小さい程度で変化するが、Ｚｂ（ｔ）は、比較的大きい程度で変化する。Ｚｂ（ｔ）の時間発展に基づいて、コア回路内のモニタされたデバイスの摩耗状態は、決定され得る。
図１９Ｃを参照すると、実施形態による、摩耗状態のインジケータとしてインピーダンスを感知するために構成された摩耗モニタデバイス１９０ｃが例示されている。摩耗モニタデバイス１９０ｃは、摩耗モニタデバイス１９０ｃでは、モニタ構造１９４ａの不純物領域１９６ｂが、部分拡散障壁構造１９７によって部分的に囲まれていることを除いて、図１９Ａのモニタデバイス１９０ａと実質的に同一である。部分拡散障壁構造１９７は、不純物領域１９６ｂからのモニタ原子の拡散が部分的に制限されるように、開口を有する。そのような構成は、モニタ原子の濃度、またはＺｂ（ｔ）におけるあまりにも急速な変化を防止するために、モニタ原子の予想される拡散が、比較的迅速であるときに有益であり得る。
図１９Ｄを参照すると、実施形態による、摩耗状態のインジケータとしてインピーダンスを感知するために構成された摩耗モニタデバイス１９０ｄが、例示されている。図１９Ａの摩耗モニタデバイス１９０ａおよび図１９Ｃの摩耗モニタデバイス１９０ｃとは異なり、摩耗モニタデバイス１９０ｄは、個別的なモニタ構造および基準構造を有さない。代わりに、摩耗モニタデバイス１９０ｄは、障壁構造１９５ｄによって囲まれているモニタ領域１９４ｄおよび基準領域１９２ｄを有し、基準領域１９２ｄ内のそのようなモニタ原子は、モニタ領域１９４ｄ中に拡散するように構成される。
他にも理由はあるが、半導体接合部が、摩耗レベルのインピーダンス測定ベースの決定に必要ではないため、摩耗モニタデバイス１９０ａ、１９０ｂ、および１９０ｄは、有利であり得ることが理解されるであろう。結果として、基板１９８の材料は、絶縁体（例えば、ＳｉＯ２、サファイア）、または本明細書に開示される任意の半導体基板を含む、任意の好適な拡散媒体であり得る。したがって、追加の自由度、すなわち、拡散媒体が、モニタデバイスを設計するために利用可能である。加えて、モニタ原子は、少なくとも基準領域から離れて拡散することが防止され、比較的少量のモニタ原子が必要とされ得る。
摩耗モニタ用検知回路
以下に、実施形態による摩耗モニタデバイスおよび基準デバイスと関連する様々な電気シグネチャを検知するための検知回路に含まれ得る様々な回路が記載される。本明細書に開示される様々な回路の各々は、図２Ａ／２Ｂに関して上述した検知回路２５ａ／２５ｂの一部であり得ることが理解されるであろう。
図２０Ａ〜２１Ｂは、様々な実施形態による、本明細書に記載される摩耗および／または基準モニタデバイスからの測定された入力信号を変換するために構成された様々な変換回路を示す。
図２０Ａは、実施形態による、上述された様々なモニタデバイスおよび基準デバイスからのモニタ信号の変換のために構成されたパンチスルー摩耗モニタ変換回路２００ａを示す。特に、変換回路２００ａは、半導体デバイスのパンチスルー特性をモニタするために構成され得る。例えば、変換回路２００ａは、例えば、図１１Ａ−１１Ｂおよび１２Ａ〜１２Ｂに関して上述されたパンチスルー特性をモニタするために構成された摩耗モニタデバイスに電気的に接続され得る。変換回路２００ａは、所定のパンチスルー電圧を下回るように構成され、電流は、パンチスルーモニタデバイス２０２を通って流れない。電流がパンチスルーデバイス２０２を通って流れないとき、コンパレータ２０４の＋および−端子の電位は、等しい。パンチスルーが一旦起こると、コンパレータ２０４は、起動され、電流は、パンチスルーデバイス２０２を通って流れる。パンチスルー電圧は、ＤＡＣ２０６を通して出力され、これは、記録され得る。
図２０Ｂは、実施形態による、変換回路２００ｂ上述された様々なモニタデバイスおよび基準デバイスからのモニタ信号の変換のために構成された、閾値電圧（Ｖｔｈ）摩耗モニタ換回路２００ｂを示す。特に、変換回路２００ｂは、ＭＯＳデバイスのＶｔｈ変動特性をモニタするために構成され得る。動作中、電流源２０１ｂは、電圧が飽和するまでＶＴノード２０７（ＡＤＣ入力）上の電圧を上昇させる。定電流が電流源２０１ｂから出力される場合、ＶＴノード２０７における飽和電圧は、トランジスタ２０８のＶｔｈの変動に従って変化する。Ｖｔｈ電圧は、ＡＤＣ２０５ｂに出力され、経時的に記録される。
図２０Ｃは、実施形態による、上述された様々なモニタデバイスおよび基準デバイスからのモニタ信号の変換のために構成された、ダイオード順方向電圧摩耗モニタ変換回路２００ｃを示す。特に、変換回路２００ｃは、ダイオードの順方向電圧をモニタするために構成され得る。動作中、電流源２０１ｃからの電流は、電圧が飽和するまで、ノード２０７（ＡＤＣ入力）上の電圧を上昇させる。定電流が電流源２０１ｃから出力される場合、ノード２０７における飽和電圧は、ダイオード２０３の順方向電圧によって変化し、これは、ＡＤＣ２０５ｃに出力され、経時的に記録され得る。
図２１Ａは、いくつかの実施形態による、上述された様々なモニタデバイスおよび基準デバイスからのモニタ信号の変換のために構成された、変換回路２１０ａを示す。動作中、第１段階において、変換回路２１０ａは、ノード２１４ａにおける摩耗モニタ２１２ａ上の電圧をモニタするように構成される。これは、第１段階において、第１の増幅器２１６および第１の抵抗器Ｒ１を使用して、ノード２１４ａにおける摩耗モニタデバイス２１２ａの電圧を緩衝することによって達成される。第２の段階では、ノード２１７における緩衝電圧は、その後、第２の増幅器２１８ａによって増幅され、その後、ＡＤＣ２１９ａで出力のために変換される。
図２１Ｂは、いくつかの実施形態による、上述された様々なモニタデバイスおよび基準デバイスからのモニタ信号の変換のために構成された、変換回路２１０ｂを示す。動作中、第１段階において、変換回路２１０ｂは、入力信号を、最初に低域フィルタリングし、続いて、第１の増幅器２１８ａを使用して増幅し、その後、ＡＤＣ２１９における出力のために変換することによって、ノード２１４ｂにおいて、摩耗モニタ２１２ｂ上の電圧をモニタリングするように構成される。
図２２Ａは、実施形態による、摩耗モニタデバイス２２１ａと基準デバイス２２１ｂとの間の出力信号を比較するように構成された、容量性プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）回路２２０ａを示す。ＰＧＡ回路２２０ａは、摩耗モニタ２２１ａおよび基準デバイス２２１ｂにそれぞれ電流を供給するように構成される、２つの電流源２２２ａおよび２２２ｂを含む。ＰＧＡ回路２２０ａは、摩耗モニタデバイス２２１ａおよび基準デバイス２２１ｂの各々に接続された２つの完全な差動電圧モード容量性増幅器２２４および２２６をさらに含む。例示されるように、ＰＧＡ回路２２０ａは、出力フィルタおよびバッファを有する細断された容量性ＰＧＡとして構成され、摩耗モニタデバイス２２１ａおよび基準デバイス２２１ｂの出力間の小信号差（約数十〜数百ｎＶ）の増幅に特に適合される。
図２２Ｂは、実施形態による、ダイオードを備える摩耗モニタデバイス２２１ｃとダイオードを備える基準デバイス２２１ｄとの間の出力信号を比較するように構成された、容量性プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）回路２２０ｂを示す。図２２ＡのＰＧＡ回路２２０ａとは異なり、ＰＧＡ回路２２０ｂにおいて、摩耗モニタデバイス２２１ｃおよび基準デバイス２２１ｄは各々、共通基準電圧、Ｖｒｅｆに接続される。図２２ＡのＰＧＡ回路２２０ａと同様に、ＰＧＡ回路２２０ｂは、出力フィルタおよびバッファを有する細断された容量性ＰＧＡとして構成され、摩耗モニタデバイス２２１ｃおよび基準デバイス２２１ｄの出力間の小信号差（約ｎＶ〜１００ｎＶ）の増幅に特に適合される。
図２２Ｃは、実施形態による、ダイオードを備える摩耗モニタデバイス２２１ｅとダイオードを備える基準デバイスとの間の出力信号を比較するように構成された、電流−デジタルＡＤＣ変換回路２２０ｃを示す。例示的な目的のために、例示される実施形態では、ＡＤＣ変換回路２２０ｃは、１２８−チャネル電流−デジタル、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）である。ＡＤＣ変換回路２２０ｃは、１２８低消費電力、低ノイズ、低入力電流積分器、同時サンプルホールド、および、最大２４ビットのサンプリングレートと分解能を備えた２つの高速高分解能ＡＤＣを含む。変換されたチャネル結果は、単一のＬＶＤＳセルフクロックシリアルインターフェイス上の出力であり、これは、外部ハードウェアを削減する。ＳＰＩ対応シリアルインタフェースは、ＳＤＩ入力を使用したＡＤＣの構成を可能にする。ＳＤＯ出力は、ユーザがいくつかのＡＤＣを単一の３ワイヤバス上にデイジーチェーンすることを可能にする。ＡＤＣ回路２２０ｃは、別個の供給ＩＯＶＤＤを使用して、変換に対するデジタル雑音効果を低減することができる。
図２３Ａ〜２３Ｃはそれぞれ、実施形態による、各々が、本明細書に記載の様々な摩耗モニタデバイスまたは基準デバイスからのモニタ信号の電流出力を増幅し、かつ、電圧信号に変換するように構成される、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）２３０ａ〜２３０ｃを示す。いくつかの実施形態では、摩耗モニタが、電圧応答よりも直線状である電流応答を有する場合、ＴＩＡを使用することができる。例えば、例示されるＴＩＡ２３０ａ〜２３０ｃは、ダイオード、例えば、フォトダイオードを含む摩耗モニタ２３４と共に使用することができ、この場合、電流応答が、例えば、広範囲の光入力にわたる直線性１％より良好であり得る。ＴＩＡ２３０ａ〜２３０ｃは、摩耗モニタデバイスモニタ２３４に低インピーダンスを提示し、動作増幅器の出力電圧から隔離する。ＴＩＡ２３０ａ〜２３０ｃの各々は、反転構成にある増幅器２３２、およびフィードバック抵抗器ＲＦを有し、これは、増幅器２３２の増幅を設定し、その値が−ＲＦである。ＴＩＡ２３０ａ〜２３０ｃの出力は、ＡＤＣによって変換され得る。ＴＩＡ２３０ａ〜２３０ｃの各々は、以下に記載されるように、摩耗モニタの低レベル電流を電圧に変換するために特に好適である。
図２３Ａを参照すると、動作中、摩耗モニタデバイス２３４は、接地と増幅器２３２の反転入力との間に接続される。増幅器２３２の非反転入力も接地に接続される。これは、摩耗モニタデバイス２３４のために低インピーダンス負荷を提供し、バイアスを低く保つ。増幅器２３２の高増幅は、摩耗モニタデバイス２３４を通る電流を、ＲＦを通るフィードバック電流に等しく保つ。
図２３Ｂを参照すると、ＴＩＡ２３０ｂは、ＴＩＡ２３０ｂが、摩耗モニタが正出力電圧で測定され得るように、摩耗モニタデバイス２３４と接地との間に、ＤＣ供給Ｖ１、例えば、電池を含むことを除いて、図２３ＡのＴＩＡ２３０ａと同様である。例えば、ダイオードを有する摩耗モニタデバイス２３４を通る逆バイアス漏れ電流（ＩＤ）は、５ｎＡであり、ＲＦは、１ＭΩであり、Ｖｂｉａｓ＝−０．１Ｖである場合、Ｖｏｕｔ＝５ｎＡ＊１ＭΩ＝５ｍＶである。
図２３Ｃを参照すると、ＴＩＡ２３０ｃは、ＴＩＡ２３０ｃが、摩耗モニタが正出力電圧で測定され得るように、増幅器２３２の非反転入力と接地との間のＶｂｉａｓを有する、ＤＣ供給Ｖ２、例えば、電池、を含むことを除いて、図２３ＡのＴＩＡ２３０ａと同様である。例えば、ダイオードを有する摩耗モニタデバイス２３４を通る逆バイアス漏れ電流は、５ｎＡであり、ＲＦは、１ＭΩであり、Ｖｂｉａｓ＝＋０．１Ｖである場合、Ｖｏｕｔ＝（５ｎＡ＊１ＭΩ）＋０．１Ｖ＝１０５ｍＶである。
したがって、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）２３０ａ〜２３０ｃは、それらが、非常に低い入力バイアス電流（〜＋／−２０ｆＡ）が測定され増幅されることを可能にするように、増幅率が非常に高い間、モニタデバイス２３４に起因する、非常に低い入力オフセット電圧を有する。
図２４は、いくつかの実施形態による、ＴＩＡ増幅器２４０が、モニタデバイス２３４および基準デバイス２３６の両方からのモニタ信号の電流出力（ＩＤ１、ＩＤ２）を増幅および電圧出力に変換するように構成されるように、アノードバイアスが多重化されたトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）２４０を示す。有利なことに、モニタデバイス２３４および基準デバイス２３５は、電流出力（ＩＤ１、ＩＤ２）の変換における同じＶｂｉａｓおよび同じ増幅器２３２を使用するため、電流出力（ＩＤ１、ＩＤ２）の変換におけるエラーがキャンセルされる。動作中、ＴＩＡ２４０は、検知回路の前端の一部とすることができる。各デバイスからの出力をＡＤＣにより変換することができ、その結果は、記憶され、その後、例えば、漏れ電流の差異を計算するために、差し引かれる。経時的に漏れ電流における差異を記憶することは、例えば、摩耗モニタデバイスが経時的に曝露された温度を追跡記録することになる。
寿命インジケータシステム
図２５は、実施形態による、１つ以上の摩耗モニタデバイスを有する、寿命インジケータシステム２５０を例示する。本明細書に開示される寿命インジケータシステム２５０は、図２Ａ／２Ｂに関して上述した検知回路２５ａ／２５ｂの一部であり得ることが理解されるであろう。
実施形態に従って、複数の異なるモニタデバイス２５２ａ、２５２ｂは、共通プラットホームで形成される異なる種類の摩耗モニタデバイスであり得る（例えば、単一のチップまたは単一の基板）。１つ以上の異なるモニタデバイス２５２ａ、２５２ｂは、例えば、異なる種類の摩耗応力の並列および／または同時モニタデータを提供する。例示される実施形態では、１つ以上の摩耗モニタデバイスは、温度モニタデバイス２５２ｂ、および、電圧または電流摩耗モニタデバイス２５２ａを含む。動作中、１つ以上の摩耗モニタデバイス２５２ａ、２５２ｂは、並列および／または同時モニタデータをそれぞれのＡＤＣ２５４ａ、２５４ｂに提供することができ、その出力は、共通プロセッサ２５６に供給され得る。同時に、それぞれの制限アラート２５７ａ、２５７ｂは、１つ以上の摩耗モニタデバイス２５２ａ、２５２ｂの各々からのモニタデータに基づいて生成され得る。各制限アラート２５７ａ、２５７ｂは、それぞれのモニタについてユーザによって設置された個々の最小値および最大値の限界値に基づいて、事前準備されている。寿命インジケータシステム２５０は、タイマ２５５も含むことができる。プロセッサ２５６は、摩耗モニタデバイス２５０ａ、２５０ｂの各々からモニタデータを受信するように、ならびに、個々の摩耗モニタデバイス２５２ａ、２５２ｂからの情報に基づくか、または１つ以上のモニタデバイス２５２ａ、２５２ｂからの情報を組み合わせるかのいずれかによって、コア回路内の関連コア回路デバイス（明確にするためには、図示せず。図２Ａ／２Ｂを参照）の摩耗レベルを決定するように、構成される。したがって、計算された摩耗レベルは、メモリ２５８、例えば、不揮発性メモリデバイスに記憶され得る。いくつかの実装では、メモリデバイスに記憶された計算された摩耗レベルデータは、保護のために暗号化された形態で伝送され得る。
いくつかの実施形態では、寿命インジケータシステム２５０は、供給電流摩耗モニタシステムとして構成することができる。多くのＩＣ故障は、スタンバイまたは電力節約電流を提供するために構成された供給電流モジュールなどの、供給電流モジュールの摩耗によって引き起こされる。いくつか挙げると、ＥＯＳ、ＥＳＤ、腐食、および潜在性欠陥によって引き起こされる摩耗に起因して、供給電流が劣化するときに、故障が生じ得る。供給電流摩耗モニタシステムとして構成されるとき、摩耗モニタ２５２ａは、供給電流摩耗モニタとして構成することができる。故障が発生したとき、タイムスタンプされた供給電流値をモニタし、それらをメモリ２５８内に記録し、故障につながるそのような電流値を「再生する」ことによって、故障の原因に関連する情報を取得し得る。
他の実施形態では、寿命インジケータシステム２５０は、デバイス故障モニタシステム、例えば、電圧、電流、温度、および／または時間に依存するデバイス故障をモニタするためのトランジスタデバイス摩耗モニタシステムとして構成することができる。そのような摩耗機構の例としては、ホットキャリア注入（ＨＣＩ）および負バイアス温度不安定性（ＮＢＴＩ）が含まれ、これらは、トランジスタ性能（速度および電圧）に悪影響を及ぼすことが知られている。そのような機構に起因する故障のための摩耗モデルの精度は、電圧応力が印加される温度もモニタしながら、トランジスタ上の累積電圧応力を同時にモニタすることによって改善され得る。
ミッションプロファイルモニタシステム
ミッションプロファイルは、一般に、アイテム、例えば、実際の使用における構成要素、デバイス、またはシステム上に作用する荷重および応力を記載する。本明細書で使用されるように、ミッションプロファイルは、特定の時間にわたって特定のミッションの開始から完了までアイテムが経験したイベントおよび環境の時間段階的な記載を指す。イベントおよび環境、例えば、荷重および応力は、他の環境要因もある中で、例えば、温度変化、温度プロファイル、湿度、振動、電界／磁界、またはこれらの要因の組み合わせを含む。それらの性質、強度、および持続時間において関連する応力、ならびに可能な限り緊密に混合したものを指定することが重要であり得る。これらの詳細により、フィールドアプリケーションにおけるアプリケーションおよびその構成要素の信頼性に関する予測が、指定された精度内で可能である。
一般に２つの異なる種類の種類ミッションプロファイルが存在する。所定のミッションプロファイルは、アイテムが使用される前に前もって決定されるミッションプロファイルを指し、不揮発性メモリデバイスなどのメモリデバイスに予めプログラムされ得る。対照的に、「スマート」ミッションプロファイルは、オンボードセンサ、例えば、実際の動作条件下のミッションプロファイルパラメータを感知する摩耗センサからの出力に基づいて、経時的に自己調整する、進化するミッションプロファイルである。したがって、「スマート」ミッションプロファイルは、構成要素、デバイス、またはシステムがその寿命にわたって見る実際の条件をより厳密に反映する。「スマート」ミッションプロファイルは、オンボードセンサからの変化する出力に基づいて定期的に更新および改善され得るため、「スマート」ミッションプロファイルは、特定のミッションプロファイルが周知ではない用途において特に重要であり得る。以下では、実施形態に従って、オンチップ摩耗センサを備えるミッションプロファイルモニタシステムが説明されている。
図２６を参照すると、実施形態による、構成要素、デバイス、またはシステムのミッションプロファイルをモニタするための、１つ以上の摩耗センサを備えるミッションプロファイルモニタシステム２６０のブロック図が例示されている。構成要素、デバイス、またはシステムは、コア回路に含まれるか、またはコア回路に電気的に接続され得る（明確にするためには、図示せず。図２Ａ／２Ｂを参照）。より多くの摩耗センサ２６０４のうちの１つは、温度、電圧、電流、湿度、動き（例えば、振動）などから摩耗を測定するように構成されたセンサを含む、本明細書に記載される摩耗センサのうちのいずれかのうちの１つ以上を含むことができる。システム２６０は、構成要素、デバイス、またはシステムの寿命にわたって摩耗センサ２６０４から測定された出力データ２６０８を定期的に生成するように構成される。出力データは、不揮発性メモリデバイスまたは揮発性メモリデバイスであり得る第１のストレージ／メモリ構成要素２６１２に、記憶され得る。記憶されたデータは、即時データならびに統計データ、例えば、平均データおよび変動性データを含むことができる。第１のストレージ／メモリ構成要素２６１２に記憶される経時的に累積された出力データは、「スマート」ミッションプロファイル２６１６を作成する。
システム２６０は、基準プロファイルとして使用することができる所定のミッションプロファイルの組を含む、所定のミッションプロファイル２６０２をさらに含む。所定のミッションプロファイルは、他のプロファイルがある中で、温度プロファイル２６０６、湿度プロファイル２６１０、バイアス（電圧）または電流プロファイル２６１４、励起プロファイル２６１８、振動プロファイル２６２２、および寿命プロファイル２６２６を含む。所定のミッションプロファイル２６０２は、第２のストレージ／メモリ構成要素２６３０、例えば、不揮発性メモリデバイスまたは揮発性メモリデバイスに、記憶され得る。システム２６０は、第２のストレージ構成要素／メモリ構成要素２６３０から所定のミッションプロファイルを取り出し、かつ、物理モデル２６３４の所定の組を使用して、構成要素、デバイス、またはシステムの摩耗状態のシミュレーションされたデータ２６１６を生成するように構成された、モデル化モジュール２６３４をさらに含む。
システム２６０は、モデル化モジュール２６３４からのシミレーションされたデータと、オンチップ摩耗センサ２６０４からの測定出力データとを比較するように構成された第１コンパレータ２６２０をさらに含む。第１のコンパレータ２６２０からの出力は、第１のコンパレータ２６２０からの出力に少なくとも部分的に基づいてモニタされる構成要素、デバイス、またはシステムの調子を決定するように構成された信号プロセッサ２６２８に送信することができる。
システム２６０は、所定のミッションプロファイル２６０２および「スマート」ミッションプロファイル２６１６を比較するように構成された第２のコンパレータ２６２４をさらに含み得る。第２のコンパレータからの出力はまた、信号プロセッサ２６２８に送信され得る。プロセッサ２６２８は、所定のミッションプロファイルおよび「スマート」ミッションプロファイルの間の偏差または差異に基づいて、システム故障が存在するかどうかを決定するように、さらに構成される。
モニタシステム２６０は、１つ以上の摩耗センサ２６０４を使用して、その寿命を通して構成要素、デバイス、またはシステムのミッションプロファイルをモニタするために使用され得る。いくつかの他の実施形態では、モニタシステム２６０は、静電放電（ＥＳＤ）／電気オーバーストレス（ＥＯＳ）モニタ２６３２をさらに用いることができる。トリガーイベントを表現することができるＥＳＤ／ＥＯＳモニタ２６３２からの出力は、１つ以上の摩耗センサ２６０４からの出力データと併せて利用され得る。ＥＳＤ／ＥＯＳイベントが生じるとき、ＥＳＤ／ＥＯＳイベントの前および後の摩耗センサ２６０４からの出力を比較することができる。出力特性におけるいかなる重要な変化は、ＥＳＤ／ＥＯＳイベントによって誘発されるＩＣ内部の損傷を示し得る。そのような情報はまた、第１のストレージ／メモリ構成要素２６１２、例えば、不揮発性メモリまたは揮発性メモリに記憶され、「スマート」ミッションプロファイル２６１６を作成するために経時的に累積され得る。
いくつかの実施形態では、システム２６０は、実施形態に従って、デバイスレベル信頼性（ＤＬＲ）モデル化モジュールをさらに含む。ＤＬＲモデル化モジュール２６３６は、様々な摩耗機構、例えば、ホットキャリア注入（ＨＣＩ）モデル化モジュール、時間依存性誘電体分解（ＴＤＤＢ）モデル化モジュール、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）モデル化モジュール、バイアス温度不安定性（ＢＴＩ）モデル化モジュール、および磁気抵抗（ＭＲ）モデル化モジュールと関連する様々なモデル化モジュール２６４０をその内部に含む。モデル化モジュール２６４０はまた、いくつか挙げると、エネルギー採取モデル化モジュール、ガス感知モデル化モジュール、湿度感知モデル化モジュール、レゾネータモデル化モジュール、およびバイオメトリックセンシングモデル化モジュールのうちの１つまたは複数を含む、１つ以上のモノのインターネット（ＩＯＴ）センサモデル化モジュールを含むことができる。これらのモデルおよび「スマート」のミッションプロファイルからのデータを使用して、起こり得る摩耗問題が検出されて、潜在的なシステム故障をユーザ警告するために使用され得る。データはまた、構成要素、デバイス、またはシステムを調整する、および／または冗長プロトコル２６４８を開始するために、フィードバックループ２６４４の一部として使用され得る。システム２６０は、起こり得るまたは潜在的な構成要素、デバイス、またはシステムの故障をユーザに警告するための有線または無線手段を含む通信モジュール２６５２をさらに含むことができる。いくつかの実装では、通信モジュール２６５２によって生成および送信されるデータは、保護用に暗号化され得る。
ミッションプロファイルモニタの用途には、例えば以下が含まれる。
●機能安全規格（ＦｕＳａ ＩＳＯ２６２６２）用途；
●モノのインターネット（ＩＯＴ）摩耗センサ；
●保証期間内の返品／保証の誤用：ミッションプロファイルモニタシステムは、構成要素、デバイス、またはシステムの誤用をハイライトするために利用され得る。例えば、オンチップ摩耗センサは、接合部温度をモニタすることができるが、周囲温度もモニタすることが望ましい場合がある。これは、ＩＣ故障、製品固有の故障、およびシステム故障の区別に役立つ。チップ上に記憶された情報は、故障分析に有用であり、特に保証故障において有用である。システムは、故障分析を助けるために、ＥＯＳ／ＥＳＤと併せて利用され得る。
●ＩＣ／システム冗長プロトコル：安全性が重視される用途では、冗長性は、多くの場合、望ましい。ミッションプロファイルモニタシステムを使用して、ＩＣ／製品の故障の前に冗長プロトコルをトリガすることができるため、熱暴走および他の効果を介して潜在的なシステム損傷を防止する。
●温度マッピング：温度をモニタ可能ないくつかの摩耗センサは、システムの温度勾配をマッピングするためのミッションプロファイルモニタシステムと併せて使用され得る。スクリーン上温度マップは、システムアラートと同調して表示することができ、摩耗および潜在的なシステム故障をハイライトすることができる。
●湿度マッピング：湿度をモニタ可能ないくつかの摩耗センサは、システムの湿度勾配をマッピングするためのミッションプロファイルモニタシステムと併せて使用され得る。スクリーン上湿度マップは、システムアラートと同調して表示することができ、摩耗および潜在的なシステム故障をハイライトすることができる。
●振動マッピング：振動をモニタ可能ないくつかの摩耗センサは、振動勾配をマッピングするためのミッションプロファイルモニタシステムと併せて使用され得る。スクリーン上振動マップは、システムアラートと同調して表示することができ、摩耗および潜在的なシステム故障をハイライトすることができる。
動作電圧ガードバンディング
図２７〜２８は、実施形態による、摩耗モニタデバイスを使用したＩＣデバイスにおける供給電圧ガードバンディングの方法を例示する。図示していないが、図２Ａ／２Ｂに関して上述した検知回路２５ａ／２５ｂは、図２７〜２８に関して説明される方法を実施するように構成され得る。
一般に、ＩＣデバイスの動作電圧は、ＩＣの意図される動作環境に基づく製造テストと特性評価プロセス中に決定され得る。図２７を参照すると、テストおよび特性評価プロセスにおいて、様々な余分なマージンを固有の最小電圧に追加して、全体的な電圧ガードバンディング割当量２７２に到達することができる。例えば、電圧ドループガードバンドは、ＩＣデバイスのガードバンディングされた動作電圧の概略時間発展曲線２７０に例示されるように、の電圧ドループの場合でも、適切な動作を確実にするために、ガードバンディング割当量２７２に追加することができる。追加のガードバンド、例えば、老朽化ガードバンドは追加され得る。
図２８を参照すると、典型的な条件下で、ＩＣデバイスによって経験された電圧ドループは、時間発展曲線２７０において描写されるワーストケースの条件下では、はるかに小さくすることができ、ＩＣは、はるかに小さいガードバンドで正確に動作することができる。しかしながら、電圧ドループを引き起こし得るＩＣデバイスの実際の摩耗状態は、不明であるため、ＩＣデバイスは、しばしば、そのようなワーストケースの条件下で操作される。例えば、図２８のグラフ２８０を参照すると、ＩＣデバイスは、ワーストケースの条件を考慮するＶｄｄレベルを表し得る「推奨Ｖｄｄ」下で操作され得る。しかしながら、大きな電圧ガードバンドを不必要に使用することは、エネルギーを無駄し得る。様々な摩耗モニタデバイスを、例えば、寿命インジケータシステム２５０（図２５）またはミッションプロファイルモニタシステム２６０（図２６）と併せて使用することによって、ガードバンディングの量を最小化することができ、これにより、ＩＣデバイスによって消費されるエネルギーを節約することができる。すなわち、ＩＣの実際の摩耗状態を追跡することによって、推奨Ｖｄｄと実際のＶｄｄとの間の差は、最小化することができ、これにより、価値のあるエネルギーを節約することができる。
したがって、様々な実施形態において、電圧ガードバンディングの方法は、本明細書に記載される様々な実施形態による摩耗モニタを使用してＩＣの摩耗状態を定期的に決定することと、摩耗状態に対応する瞬時に予想される電圧ドループを決定することと、を含む。摩耗状態に対応する予想される瞬時電圧ドループが決定されると、推奨Ｖｄｄ曲線を更新することができる。そのような決定の周期性を増加させることによって、無駄なエネルギーの量を最小化することができる。
自己給電摩耗モニタ
図２９は、実施形態による、摩耗モニタ２９１を備え、電源から供給される最小限のエネルギーを使用しながらまたはエネルギーを使用せずに、または例えば太陽エネルギーの形で環境から回収されたエネルギーを使用しながら、モニタされたデータを無線送信するように構成される、ＩＣ装置２９０を例示する。
ＩＣ装置２９０は、上記の摩耗モニタデバイスの１つであり得る摩耗モニタ２９１と、摩耗モニタデバイス２９１からの摩耗信号をモニタするための検知回路２９４と、摩耗信号を無線通信するための無線通信モジュール２９６と、検知回路２９５および無線通信モジュール２９６に給電するためのエネルギー採取コンポーネント２９８と、を備える。ＩＣ装置２９０は、上述した基準デバイスの１つとして構成され得る基準デバイス２９２も含み得る。上述したように、摩耗モニタデバイス２９１および基準デバイス２９２は、原子拡散に依存し、原子拡散を引き起こす摩耗応力をモニタするために別個の電源を含まない。しかしながら、検知回路２９４および無線通信モジュール２９６は、依然として別個の電源を含むことができる。しかしながら、例えば、超高層ビル、橋または遠隔地の基地局の上部など、遠隔の、過酷な、またはそうでなければアクセスが困難な場所での使用のためには、バッテリ電力を使用する拡張モニタが望ましくないか、または実用的でない場合がある。有利なことに、ＩＣ装置２９０は、エネルギー採取コンポーネント２９８を含む。エネルギー採取は、非電気的形態のエネルギーを電荷に変換することを含むことができる。エネルギー採取コンポーネント２９８は、環境からエネルギーを採取するように構成された任意の好適なデバイス、例えば、光起電力ＩＣデバイス、熱電ＩＣデバイスまたは圧電ＩＣデバイスであり得る。エネルギー採取コンポーネント２９８は、電力をＩＣ装置２９０の検知回路２９４および無線通信モジュール２９６に部分的または完全に供給するように構成されており、これにより、ＩＣ装置２９０が、別個の電源をほとんどまたは全く必要とせずにモニタ情報を受信しながら、遠隔の、過酷な、またはそうでなければアクセスが困難な場所で長時間使用することができる。さらに、ＩＣ装置２９０は、無線通信モジュール２９６を使用して処理回路（明確にするために図示せず）に通信可能に連結された状態で、処理回路から遠隔に配置されることによって、例えば、リモートサーバの処理環境など、処理回路が動作する環境よりもはるかに過酷な環境で、モニタデバイスを動作させることができる、と理解されるであろう。
酸化／腐食摩耗モニタ
原子拡散の速度における変化の検出に加えて、化学反応、例えば、酸化および／または腐食反応は、いくつかのＩＣデバイスの摩耗レベルを測定するために使用され得る。環境原子とモニタ不純物原子との間の様々な反応は、腐食および／または酸化を含むことができ、環境原子と関連する摩耗応力の履歴を提供し得ることができる。様々な実施形態によれば、化学的に反応、例えば、腐食および／または酸化する物質／材料は、モニタ不純物原子、例えば、定義された／予測可能な速度で拡散するＡｕまたは他の材料を含む、モニタデバイスにさらに含まれ得る。いくつかの実装では、酸化／腐食の反応速度は、測定可能な電気量と直接相関することができる。いくつかの他の実装において、酸化／腐食性材料は、モニタ不純物原子、例えば、Ａｕ原子の拡散速度に対して認識可能な効果をもたらすことができ、それによって、測定可能な電気量に間接的に相関する。したがって、腐食または酸化のレベルの指標を提供することができるシステムを構築することができる。これは、本明細書に開示される他の実施形態に記載される他の摩耗機構および条件と独立して、またはそれらと組み合わせて使用され得る。拡散と同様に、酸化および／または腐食と関連する摩耗応力は、拡散に関して上述した概念が、図３０Ａ〜３０Ｄに関連して本明細書に記載されるモニタデバイスに適用可能であるように、熱活性化され得る。
図３０Ａ〜３０Ｄは、様々な使用環境下で酸化／腐食する構造を有するモニタデバイス３００ａ〜３００ｄの様々な実施形態を例示し、ここで、酸化／腐食の速度における変化を使用して、コア回路の摩耗状態を決定することができる。酸化／腐食する構造は、それら自体によって使用され得る。すなわち、拡散するように構成されたモニタ原子を有する構造なしで、または拡散するように構成されたモニタ原子を有する構造と併せて、使用され得る。酸化／腐食する構造が拡散するモニタ原子を有する構造と併せて使用される場合、酸化／腐食する構造の存在は、モニタ原子の拡散速度に影響を及ぼすことができ、モニタ原子を有する構造の存在は、酸化／腐食の速度に影響を及ぼし得る。そのようなモニタデバイスは、様々なガスまたは液体、例えば、酸素、水分、水、ＣＯ２、などを含む、特定の環境原子と関連付けられた摩耗応力を検出するように構成される。
図３０Ａ〜３０Ｄを参照すると、摩耗モニタデバイス３００ａ〜３００ｄの各々は、基板３０２を含み、これは、上述した測定構造、例えば、ＰＮ接合部またはインピーダンス測定構造、基礎となる基板３０２の拡散、酸化、または腐食を制限または阻害するためにその上に形成される拡散障壁３０４、を含むことができる。
図３０Ａを参照すると、摩耗デバイス３００ａは、基礎となる層中に拡散するように構成されたモニタ原子の複数の層３０６ａと、既知の酸化環境で所定の速度で酸化するように適合される複数の酸化層３０８ａと、を含む。酸化層３０８ａは、既知の酸化速度を有する金属または半導体材料を含むことができる。モニタ原子の層３０６ａおよび酸化層３０８ａは、例示される実施形態では、横方向に交互に並ぶ。
図３０Ｂを参照すると、摩耗デバイス３００ｂが、摩耗モニタデバイス３００ａの酸化層の代わりに、既知の腐食環境では所定の速度で腐食するように適合された複数の層３０８ｂを含むことを除いて、摩耗デバイス３００ｂは、図３０Ａの摩耗モニタデバイス３００ａと同様に配置される。腐食層３０８ｂは、既知の腐食速度を有する金属または半導体材料を含むことができる。モニタ原子の層３０６ｂおよび腐食層３０８ａは、例示される実施形態では、横方向に交互に並ぶ。
図３０Ｃを参照すると、図３０Ｃの摩耗デバイス３００ｃが、酸化層／腐食層３０８がモニタ原子の層３０６ｃの上部に形成された積層構成を有することを除いて、摩耗デバイス３００ｃは、図３０Ａ／３０Ｂの摩耗モニタデバイス３００ａ／３００ｂと同様に配置される。
図３０Ｄを参照すると、酸化層３０８ｃがモニタ原子の層３０６ｃの上部に形成される積層構成の代わりに、図３０Ｄの摩耗デバイス３００ｄ、モニタ原子の層３０６ｃの下に形成される酸化層／腐食層３０８ｄを除いて、摩耗デバイス３０ｄは、図３０Ｃの摩耗デバイス３００ｃと同様に配置される。
摩耗モニタ配列
図３１は、実施形態による、摩耗モニタデバイス３１８の配列３１０ａ（断面図）／３１０ｂ（平面図）としてとして横方向に配置された、複数の摩耗モニタデバイスを示す。配列３１０ａ／３１０ｂは、チップ（ＳｏＣ）におけるシステム、またはパッケージ（ＳＩＰ）におけるシステムなど、システムの一部として実装され得る。配列３１０ａ／３１０ｂは、基板３１２上に形成された複数のモニタデバイス３１８を備え、拡散障壁３１４を含むことができる。モニタデバイス３１８は、アプリケーションに応じて、同じ種類、または異なる種類であってよい。例えば、いくつかの用途に関して、モニタデバイス３１８のいくつかは、熱応力をモニタするように構成されてもよく、一方、他のモニタデバイス３１８は、電圧応力または電流応力をモニタするように構成されてもよい。モニタデバイス３１８が同じ種類の場合、それらは、同じまたは異なる応力範囲にわたって応力をモニタするように構成されてもよい。例えば、モニタデバイス３１８のうちのいくつかは、第１の温度範囲での摩耗をモニタするように構成されてもよく、一方、モニタデバイス３１８のうちの他のものは、第２の温度範囲での摩耗をモニタするように構成されてもよい。いくつかの実装では、モニタデバイス３１８は、複数のモニタデバイス３１８を直列または並列に感知することを可能にする電気リンクまたは接続３１６によって相互接続され、かつ通信可能に連結されてもよい。いくつかの実装では、電気リンク３１６は、動作中のモニタデバイス３１８の特定のパターンを形成して、コアＩＣデバイスの特定の領域および／または応力の特定の範囲の応力をターゲットにするために、製造後に変更することができるヒューズリンクまたはアンチヒューズリンクであってもよい。
図３２Ａおよび３２Ｂは、実施形態による、配列３２８（図３２Ｂ）として横方向に配置された、複数のモニタデバイス／基準デバイスの対（図３２Ａ）を例示する。配列３２８は、図３１の配列３１０ａ／３１０ｂと同様に構成されてもよく、同様の態様の説明は、省略される。しかしながら、図３１の配列３１０ａ／３１０ｂとは異なり、配列３２８の各モニタデバイス３２２は、上記の理由および利点のための基準デバイス３２４と対にされる。
図３３Ａ〜３３Ｂは、基板３３２および拡散障壁３３４の上方に形成されたモニタデバイス３３８の配列３３０ａ（断面図）／３３０ｂ（平面図）として横方向に配置された複数のモニタデバイスを示す。図３１に関して上述される摩耗モニタデバイスの配列と同様に、配列３３０ａ／３３０ｂは、電気リンクまたは接続部３３６によって、相互接続され、かつ通信可能に連結されるモニタデバイス３３８を含む。電気リンクまたは接続部３３６は、それらの腐食および／または酸化をもたらし得る条件に意図的に曝露されるように構成され、そのような条件下で腐食／酸化することができる材料で形成される。結果として、腐食／酸化（および潜在的にリンクまたは接続部３３６自体の消費）に基づいて、認識可能な電気的変化が経時的に発展するシステムが作製される。図３３Ａ〜３３Ｂの配列３３０ａ／３３０ｂは、図３１の配列３１０ａ／３１０ｂと同様に構成されてもよく、類似の態様の説明は、省略される。しかしながら、図３１の配列３１０ａ／３１０ｂとは異なり、モニタデバイス３３８のうちの少なくともいくつかは、その上に形成されたパッシベーション層３３７ａを有し、これは、ポリマーパッシベーション層または誘電性パッシベーション層であり得る。
図３３Ｃは、モニタデバイス３３８ａの配列３３０ｃの別の実施形態を示すものであり、図３３Ａのパッシベーション層３３７ａとは異なり、パッシベーション層３３７ｃは、ブランケットパッシベーション層３３７ｃを貫通して開口３３３が形成されている箇所を除いて、複数のモニタデバイス３３８ａにわたってブランケット層を形成する。例示される実施形態では、図３２Ａのモニタデバイス／基準デバイスの対３２０と同様の、モニタデバイス３３８ａ／３３８ｂおよび基準デバイス３３９ａ／３３９ｂを含む、モニタデバイス／基準デバイスの対３３１ａ／３３１ｂの配列が例示されている。配列３３０ｃの一部分の平面図では、曝露された対３３１ａは、環境に直接曝露され、曝露されていない対３３１ｂは、パッシベーション層３３７ｃによって覆われている。例示される配列３３０ｃは、モニタデバイス３３８ａおよび基準デバイス３３９ａの少なくともいくつかが上述したような酸化または腐食環境に曝露されるモニタ環境において特に有益であり得る。モニタデバイス３３８ｂおよび基準デバイス３３９ｂおよび電気リンク３３６のうちの他のものが、酸化および／または腐食環境に曝露されることが防止され、モニタデバイス３３８ａ／３３８ｂと基準デバイス３３９ａ／３３９ｂとの間の電気的相互接続の完全性が保たれる。
パッケージ摩耗モニタにおけるシステム
図３４は、パッケージ内（ＳＩＰ）のシステム、または埋込みコンポーネントが埋め込まれたシステム、例えば、基板（複数可）内に埋め込まれた構成要素を有するシステムの図である。実施形態による１つ以上の摩耗モニタデバイス３４８を含む、３４０。例示される実施形態では、基板３４２は、モニタされるコア回路デバイス３４６に極めて近接してその上に形成された摩耗モニタデバイス３４８を有し、それによって、コア回路デバイス３４６の摩耗レベルの比較的正確な指標を提供する。摩耗モニタデバイス３４８は、コア回路デバイス３４６のすぐ隣に配設され得る。ダイ３４２および他の構成要素は、システム３４０を形成するために単一のパッケージ内に封入され得る。モニタデバイス３４８は、特定の関心領域であり得る好適な特定の場所、好適には、高電力デバイスまたはセンシティブ／クリティカル処理デバイスに隣接して、配設され得る。ＳＩＰ３４０は、ダイ３４２および他の構成要素をカプセル化するオーバーモールド化合物３４４を含むことができる。ＳＩＰ３４０は、信号が、ＳＩＰ３４０との間で外部から通信することができるように、構成され得、ダイ３４２および／または他の構成要素によって、例えば、無線で、またはＳＩＰ３４０の出力接触に提供されることによって、構成され得る。
電気的過大応力（ＥＯＳ）および静電気放電（ＥＳＤ）摩耗モニタ
静電気放電（ＥＳＤ）、電気ストレス（ＥＯＳ）または電磁両立性（ＥＭＣ）過渡などの過渡的電気事象は、ＩＣデバイスの摩耗を引き起こし得る。本明細書に記載されるように、過渡的電気事象は、ＤＣレジーム未満の持続時間を有する電気事象である。いかなる理論に束縛されることなく、過渡的電気事象によるデバイス故障の３つのレジームが存在すると予測されている。断熱レジームにおいて、過渡的電気事象の持続時間は、＜１００ｎｓの程度である。そのような短期間のため、伝熱はほとんどなく、故障までの時間はおおよそ１／ｔ相関を示す。熱拡散法レジームにおいて、過渡的電気事象の持続時間は約１００ｎｓ〜約１０ｍｓ程度である。このレジームにおいて、熱伝達持続時間は、ほぼ熱伝達時間程度であり、故障までの時間は、１／ｔ１／２相関を示す。ＤＣ／定常状態において、電気事象の持続時間は、約０．１／１０ｍｓよりも長い。このレジームにおいて、デバイスは、熱平衡にあり、故障までの時間は、おおよそ時間との相関がない。これらのレジームは、Ｗｕｎｃｈ−Ｂｅｌｌ曲線として既知のものにおいて記載されている。
様々な過渡的電気事象に対する保護のための様々な保護デバイスは、オフチップモジュールとして装置に組み込むことができ、または、例えば、内蔵保護を備えたマルチダイパッケージの一部として、一体化されたオンチップにすることができる。様々な保護デバイスは、ＰＮダイオード、ＢＪＴ、および電界効果トランジスタの組み合わせを含む。これらおよび他のデバイスに関して上述した摩耗モニタデバイスの様々な構成を使用して、いくつかの保護デバイスを使用して、過渡的電気事象によって引き起こされる摩耗をモニタすることができる。本明細書の様々な実施形態によれば、摩耗モニタデバイスは、非破壊的な電気的過大応力（ＥＯＳ）事象を検出することができる。そのような機能性は、他の回路よりもわずかに低いブレークダウンでＩＣをモニタすることができ、ＩＣデバイスに関する摩耗情報を提供することができる。
図３５Ａおよび３５Ｂはそれぞれ、実施形態による、ＥＳＤ検出回路３５０ａおよび３５０ｂの概略図を例示する。ＥＳＤ検出回路３５０ａおよび３５０ｂの各々は、第１のＥＳＤ保護デバイス３５２および第２のＥＳＤ保護デバイス３５４を含む。
第１のＥＳＤ保護デバイス３５２は、例えば、比較的低い分解電圧および比較的小さい物理領域を有するダイオードを含み、第２のＥＳＤ保護デバイス３５２は、例えば、比較的高い分解電圧および比較的大きい物理領域を有するダイオードを含む。これらのＥＳＤ保護デバイスは、ダイオード、バイポーラ接合部トランジスタ、および半導体制御された整流器（ＳＣＲ）を含むことができる。第１のＥＳＤ保護デバイス３５２は、第２のＥＳＤ保護デバイス３５４よりも低い電圧でトリガすることができる。例示的な例では、第１の保護デバイス３５２は、約６．５Ｖでトリガすることができ、第２のＥＳＤ保護デバイス３５４は、約７Ｖでトリガすることができる。第２のＥＳＤ保護デバイス３５４は、第１のＥＳＤ保護デバイス３５２よりも多くの電流を扱うことができる。図３５Ａの例示される実施形態では、抵抗器３５５（図３５Ａ）またはヒューズ３６７（図３５Ｂ）は、例えば、熱暴走を防止するため、および／または検出回路３５６の電圧を提供するために、第１のＥＳＤ保護デバイス３５２と直列にある。
第１のＥＳＤ保護デバイス３５２により、第２のＥＳＤ保護デバイス３５４をトリガするための閾値の下のＥＳＤ事象を検出し、関連データは、構成要素、デバイス、またはシステムの摩耗を決定するのに使用することができる。第１のＥＳＤ保護デバイス３５４によって提供されるＥＳＤ保護は、内部回路を保護するのに十分ではなくてもよいが、第１のＥＳＤ保護デバイス３５２によって提供されるＥＳＤ保護は、抵抗を含まずに、第２のＥＳＤ保護デバイス３５４に何が起こっているかをモニタする方法を提供することができ、これは、第２のＥＳＤ保護デバイス３５４と直列に存在しながら、第２のＥＳＤ保護デバイス３５４４の有効性を減少させるはずである。
ＥＳＤ検出回路３５０ａおよび３５０ｂは、抵抗器３５５にわたる電圧を使用してＥＳＤ事象を検出し得る（図３５Ａ）。代替的に、検出回路３５０ｂは、ＥＳＤ事象が検出されるときにヒューズ３５７を飛ばし得る。ある特定の数のＥＳＤ事象（例えば、１０個のイベント）が検出され、アラーム信号が提供され得る。例えば、すべてのヒューズが飛ばされ得るおよび／またはメモリセルがオーバフローし得る場合には、アラーム信号がトグルされ得る。アラーム信号は、デバイスがＥＳＤ事象によって老朽化されたことを警告するアラームを提供することができる。
ＥＯＳ検出回路は、ダイレベルおよび／またはシステムレベルで、機能的安全情報を提供することができる。ダイレベルでは、ＥＯＳイベントの記録およびモニタは、ダイの機能的安全性の指標を提供することができる。そのような情報は、ダイの外部に報告される。アラーム信号は、ダイの外部に提供されて、ダイの機能安全性に関する警告を提供する、および／またはダイの交換などの措置を取ることを提案する。システムレベルでは、ＥＯＳイベントを検出することは、システムレベルにおける機能的安全性に関する情報を提供し得る。そのような情報は、例えば、予知保全のために使用され得る。
ＥＳＤ保護デバイスの特定の物理レイアウトは、高速で実装され得る。以下に論じられる物理レイアウトは、本明細書で考察されるＥＯＳ保護デバイスのうちのいずれかに関連して実装され得る。例示的な物理レイアウトを図３６Ａ〜３６Ｃに例示する。
図３６Ａは、ＥＳＤ保護デバイス３６０の物理レイアウトの例を提供する。図３７Ａにおいて、ＥＳＤ保護デバイスは、平面図において環状構造である。これにより、比較的高い電流処理能力が可能になる。ＥＳＤ保護デバイス３６０のアノード３６２およびカソード３６４は、結合パッド３６６の周りに提供され得る。ＥＳＤ保護デバイスの最も弱い点は、増加した間隔、抵抗、および／または曲率を有していても、典型的に最も高い電界を有する場所であるため、フィンガーの端にある可能性がある。環状ＥＳＤシリコン制御整流器（ＳＣＲ）は、結合パッドを包囲する円形デバイスを模倣するために、システムレベルＥＳＤ保護のために使用され得る。そのようなＳＣＲは、米国特許第６，２３６，０８７号に記載されている特徴の任意の組み合わせを含むことができ、その全開示は参照により本明細書に組み込まれる。
平面図における環状形状ＥＳＤ保護デバイスは、比較的大きい周辺面積を有し、したがって電流が流れることができる比較的大きい断面積を有することができる。一例として、外周は約４００μｍとすることができ、ダイオード接合部は約３μｍの深さとすることができ、したがって断面積は約１２００μｍ２とすることができる。さらに、環状構造によって、金属は、４つの側面上で結合パッドから出ることができる。これは、ＥＳＤ破壊に対する抵抗を実質的に最小化し、したがって、チップ内の高感度回路内部によって経験された電圧を実質的に最小化することができる。ＥＳＤ破壊へのさらにより低い抵抗経路を提供し得る別のアプローチは、伝導がシリコンを通して垂直方向に下向きである純粋な垂直ダイオードである。そのようなダイオードにおいて、１００μｍ×１００μｍパッドの場合、断面面積は、１０，０００μｍ２であり、金属抵抗は、片側には厚い低抵抗金属パドルがあり、反対側には低抵抗ボンドワイヤーが極めて接近しているので、比較的小さくすることも可能である。
いくつかの例において、理想的なＥＳＤデバイスは、実質的に同じ電界が、そのような構造において接合部全体に沿って存在し得るように、円形であり得る。円形ＥＳＤデバイスレイアウトは、面積効率が良くない場合がある、および／または内側アノードは、外側カソードよりも接合部面積を小さくすることができる。円形ＥＳＤデバイスレイアウトは、ほぼ同じ面積を消費する一部の他の共通ＥＳＤレイアウトよりも大きい電流を流すことができる。円形ＥＳＤデバイスレイアウトは、ＥＯＳイベントと関連する電流などの、比較的大きい電流を流すことができる。したがって、そのようなＥＳＤデバイスレイアウトは、ＥＯＳイベントと関連するエネルギーを採取するために使用される、ＥＳＤの特定の用途において望ましい場合がある。
図３６Ｂは、ＥＳＤデバイス３６１の物理レイアウトの例を提供する。ＥＳＤデバイス３６１の物理レイアウトは、平面図において比較的大きい円形形状である。これは、アノード３６２とカソード３６４との間の接合部領域間の差を低減させることができる。
図３６Ｃは、ＥＳＤデバイス３６８の物理レイアウトの例を提供する。ＥＳＤデバイス３６８は、より小さいＥＳＤデバイス３６９の比較的高密度の配列によって実装される。より小さい円形ＥＳＤデバイス３６９は、互いに対して横方向および／または垂直方向に当接され得る。より小さい円形ＥＳＤデバイス３６９の配列は、例えば、スマートウォッチなどのウェアラブルコンピューティングデバイスで実装され得る。
図３７Ａは、実施形態による、ＥＳＤ保護および／またはエネルギー採取回路と統合された１つ以上の摩耗または腐食モニタデバイス３７１を含む、垂直統合システム３７０ａの概略図である。１つ以上の摩耗モニタデバイスと組み合わせたＥＳＤ保護および記憶チップ３７２は、ＥＳＤ事象からエネルギーを採取可能な回路とＥＳＤ事象に関連する電荷を蓄積するように構成された蓄積素子とに加えて、システムのまたはシステムの構成要素の摩耗レベルを感知するための回路を含む。組み合わされたチップ３７２は、ＡＳＩＣ３７４と積み重ねられる。ＥＳＤ保護デバイスおよび蓄積素子を単一のダイに組み合わせることで、ピラミッド構成で積み重ねられた２つの別個のダイに対する垂直統合システムの高さを低減することができる。ＥＳＤ保護デバイスおよび蓄積素子を単一のダイに組み合わせることで、２つの別個に積み重ねられたダイに対する、サージ伝導点および蓄積素子からの経路の長さおよび／または抵抗を低減することができる。ＡＳＩＣ３７４は、組み合わされたチップ３７２の蓄積素子から電荷を受信することができる。ＡＳＩＣとは異なるチップ上にエネルギー採取回路を有することは、ＥＳＤ保護デバイスなどのＥＯＳ保護デバイスが、より大きなＥＳＤ事象などのより大きなＥＯＳ事象からの電荷を蓄積するようにスケールアップすることを可能にする。１つ以上の摩耗または腐食モニタデバイス３７１は、本明細書の別の場所で考察されるように、異なる応力状態、例えば、温度、電圧などをモニタまたは測定するために、任意のＳＩＰ（システムパッケージ）またはシステム内に統合され得ることが理解されるであろう。
図３７Ｂは、図３７Ａに例示にされる完全に包装された垂直統合システム３７０ａの断面図３７０ｂである。断面図３７０ａは、空気または水分が、摩耗または腐食モニタデバイス３７１に直接接触することができるように、包装材料（または障壁もしくは封入剤）３７８を通じて形成された開口（または開口、導管、もしくは経路）３７５を示す。組み合わされたチップ３７１およびＡＳＩＣ主ダイは、互いに電気的に接続され、ワイヤボンディング３７６、またはいくつかの他の好適な電気接続もしくは導電経路を介して、外部に接続される。
図３７Ｃは、システム３７０ｃが、センサダイに電気的に接続されたマイクロエレクトロメカニカルセンサ（ＭＥＭＳ）３７３をさらに含むことを除いて、図３７Ａ／３７Ｂのシステム３７０ａ／ｂの断面図と同様の、完全に包装された垂直統合システム３７０ｃの断面図である。加えて、図３７Ａ／３７Ｂのシステム３７０ａ／ｂとは異なり、システム３７０ｃは、ＭＥＭＳ３７３および／またはＡＳＩＣ３７４から物理的に分離されたＡＳＩＣ３７４（またはシステム内の処理ダイ）に摩耗または腐食モニタデバイス３７１を電気的に接続する複数の貫通シリコンビア（ＴＳＶ）３７７をさらに含む。モニタデバイス３７１をＭＥＭＳ３７３および／またはＡＳＩＣ３７４から分離することによって、例えば、パッケージ／モジュール／システムレベルで形成された開口を介して、モニタデバイス３７１の回路を選択的に露出させることができる。有利なことに、モニタデバイス３７１をＡＳＩＣ３７４から分離させることができ、かつ、より高温および／または過酷な環境に曝露されるように構成され得る。例示される実施形態では、キャビティ３７９は、キャビティがＭＥＭＳ３７３と重複するように、モニタデバイス３７１の基板の一部分をエッチングすることによって形成される。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、他の好適なプロセスを使用して、モニタデバイス３７１の間でキャビティ３７９を配置することができる。
組み合わされたチップ３７２およびＡＳＩＣ主ダイは、互いに電気的に接続され、ワイヤリング３７６を介して外部に接続される。組み合わされたチップ３７２は、例示されるように、１つ以上の貫通シリコンビア（ＴＳＶ’ｓ）３７７を使用して、または、図３７Ｂに例示されるようにワイヤボンディング３７６を使用して、電気的に接続することができる。
拡散促進モニタデバイス構造
いくつかの用途について、コアデバイスの機械的摩耗応力の効果をモニタすることが望ましい場合がある。いくつかの用途において、モニタされるコアデバイスは、応力下の静的デバイス、例えば、隣接するシャロートレンチアイソレーションからの応力下のトランジスタデバイス、または半導体デバイスがその上に形成される可撓性基板からの応力下の半導体デバイスであってもよい。他の用途において、モニタされるコアデバイスは、例えば、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスなどの動的デバイスであってもよい。これらの用途については、そのような機械的摩耗応力から生じる摩耗応力をモニタすることが望ましい場合がある。
状況によっては、機械的応力は、ドーパント原子の拡散速度の変化を引き起こし得る。図３８Ａ〜３８Ｅは、機械的応力によって促進されたモニタ原子の拡散を利用することによって、機械的変形と関連する摩耗応力をモニタすることができるように、可撓性基板内に形成されるか、または可撓性基板上に形成される、摩耗モニタデバイスの様々な実施形態を示す。モニタデバイス３８０ａ〜３８０ｅの各々は、可撓性基板３８３内に形成された複数のドープ領域を有する。複数のドープ領域は、配列を形成し得る。可撓性基材３８２は、可撓性材料、例えば、可撓性ポリマー材料、または、例えば、半導体誘電体基板が可撓性であるように約５００μｍ未満にまで実質的に薄くされた半導体誘電体基板で形成することができる。基板３８２は、ドープされてもよく、例えば、第１のドーパント型より軽くドープされるか、またはドープされなくてもよい。モニタデバイスは、例えば屈曲やたわみなどによって引き起こされる機械的変化により、疲労などの摩耗応力と関連する電算シグネチャが生じるように構成されている。いくつかの実施形態では、基板３８２は、機械的変形を電気信号に変換するための圧電材料などの材料を含むか、または少なくともそれらで部分的に形成されてもよい。
図３８Ａおよび３８Ｂは、実施形態による、基板３８２が屈曲を受ける前（図３８Ａ）および受けた後（図３８Ｂ）の摩耗モニタデバイス３８０ａ／３８０ｂを例示する。モニタデバイス３８０ａおよび３８０ｂは各々、第２のドーパント型でドープされ得る複数のドープ領域３８４ａおよび３８４ｂを有する。基板３８２が第１のドーパント型でドープされるとき、上述した様々な実施形態に関して説明されたように、拡散されたモニタ原子を検出するために使用され得る空乏領域３８６ａおよび３８６ｂが形成されるように、ＰＮ接合部が形成される。上述のように、ドープ領域３８４ａおよび３８４ｂは、基礎となる基板、例えば、空乏領域中に拡散するように適合されるモニタ原子を含み得る。いくつかの実施形態では、モニタ原子は、ドープ領域３８４ａおよび３８４ｂ上に形成され得、一方、他の実施形態では、モニタ原子は、第２のドーパント型でドープされたドープ領域のドーパントに加えて、または少なくとも部分的にそれを置換するように形成され得る。動作中、図３８Ｂに示されるような、モニタデバイス３８０ｂへのモニタデバイス３８０ａの屈曲は、引っ張りひずみの下に配置される、または反対方向に屈曲されると圧縮ひずみの下に配置されるドープ領域３８４ｂをもたらす（図示せず）。引張ひずみまたは圧縮ひずみは、モニタ原子の基礎となる基板材料中への拡散速度を変化させる。この変化は、上述したように、検知回路を使用して検出され得る。
図３８Ｃは、実施形態による、機械的変形と関連付けられた応力をモニタするように構成された別の摩耗モニタデバイス３８０ｃを示す。図３８Ａ／３８Ｂの摩耗モニタデバイス３８０ａ／３８０ｂと同様に、摩耗モニタデバイス３８０ｃは、可撓性基板３８２内に複数のドープ領域３８４ｃを有する。しかしながら、摩耗モニタデバイス３８０ａ／３８０ｂとは異なり、ドープ領域３８４ｃは、複数の接続されたドープ領域３８４ｃおよび対応する空乏領域３８６ｃを形成するようにマージされる。
図３８Ｄおよび３８Ｅは、実施形態による、機械的変形と関連付けられた応力をモニタするように構成された、摩耗モニタデバイス３８０ｄおよび３８０ｅの追加の実施形態を示す。図３８Ａ／３８Ｂの摩耗モニタデバイス３８０ａ／３８０ｂと同様に、摩耗モニタデバイス３８０ｃおよび３８０ｄはそれぞれ、可撓性基板３８２内に複数の第１のドープ領域３８４ｄおよび３８４ｅを有する。しかしながら、摩耗モニタデバイス３８０ａ／３８０ｂとは異なり、摩耗モニタデバイス３８０ｄおよび３８０ｅは、可撓性基板３８２内に複数の第２のドープ領域３８６ｄおよび３８６ｅを有する。第２のドープ領域３８６ｄおよび３８６ｅは、第１のドープ領域３８４ｅおよび３８４ｅと比較して反対にドープされてもよく、図１１Ａ−１１Ｂに関して上述したように、第１のドープ領域３８４ｅおよび３８４ｅおよびパンチスルーモニタとして構成されてもよい。いくつかの実施形態において、図３８Ｄに例示されるように、横方向に隣接する第１のドープ領域３８４ｄおよび横方向に隣接する第２のドープ領域３８６ｄは、対応する第１および第２のドープ領域３８４ｄおよび３８６ｅの間の垂直分離距離ｄ１が比較的一定であるように同様の深さを有しながら、同様のまたは変動するドーパント濃度を有し得る。いくつかの他の実施形態では、横方向に隣接する第１のドープ領域３８４ｅおよび横方向に隣接する第２のドープ領域３８６ｅは、図３８０Ｅの摩耗モニタデバイス３８０ｅにおいて例示されるように、対応する第１および第２のドープ領域３８４ｅおよび３８６ｅとの間の垂直分離距離ｄ２が様々であるように、同様のまたは変動するドーパント濃度および異なる深さを有し得る。
いくつかの用途について、特定のデバイス構造の電界増強に起因する摩耗効果をモニタすることが望ましい場合がある。いくつかの用途では、モニタされるコアデバイスは、電界が隣接する領域と比較して増強されるように比較的鋭利な特徴を有する構造的特徴を有し得る。さらに、電界のそのような増強は、ＥＯＳ／ＥＳＤ事象につながり、これもやはり、半導体材料における格子欠陥を生成し、それを通して原子拡散率は実質的に向上され得る。したがって、様々な用途について、そのようなフィールド増強効果から生じる摩耗応力をモニタすることが望ましい。
図３９Ａは、電界下で電極として機能することができる１つ以上の鋸歯状構造３９２ａを有する摩耗モニタデバイス３９０ａを例示する。いくつかの実施形態では、上部および下部鋸歯状構造３９２ａおよび３９２ｂはそれぞれ、半導体材料または導電性材料であり得る、第１の材料で形成される。鋸歯状構造３９２ａ／３９２ｂは、半導体材料または導電性材料であり得る第２の材料で形成される介在構造３９４によって介入されている。例示される実施形態では、第１の材料は、第１のドーパント型、例えば、ｎ型でドープされた半導体材料を含み、第２の材料は、第２のドーパント型、例えば、ｐ型でドープされた半導体材料を含む。摩耗モニタデバイス図３９Ａのデバイス３９０ａは、鋸歯状構造３９２ａまたは介在構造３９４のいずれかにおいて存在し得るモニタ原子を含み、ここで、モニタ原子は、モニタデバイス３９０ａに拡散するように構成されている。鋸歯状構造３９２ａ／３９２ｂは、電界が、上部および下部鋸歯状構造３９２ａ／３９２ｂの間に印加されるとき、電界を増強するように構成された複数のフィールド増強領域３９６を備える。例示される実施形態では、対抗するフィールド増強領域３９６異なる対間のギャップｄ１および／または曲率半径は、異なる電界値の下、異なる対が放電事象、例えば、ＥＯＳ／ＥＳＤ事象に供され得るように、変動することができる。対向するフィールド増強領域３９６の対間で１つ以上のＥＯＳ／ＥＳＤ事象が生じるとき、ある特定の格子欠損３９８、例えば、積層欠陥または転位を形成することができ、それによって、モニタ原子に増強された拡散経路を提供する。動作中、上部および下部鋸歯状構造３９２ａの間に電界を印加することによって、ＥＯＳ／ＥＳＤ事象をその間に誘発させることができ、例えば、鋸歯状構造３９２ａ／３９２ｂにおける格子欠損３９８を介して、モニタ原子の増強された原子拡散をもたらすことができる。例えば、コア回路内のモニタされた構造の摩耗レベルは、そこから上述のように決定され得る。
いくつかの実施形態では、図３９Ｂに例示される基準デバイス３９０ｂには、図３９Ａの摩耗モニタデバイス３９０ａが提供され得る。モニタデバイス３９０ａとは異なり、基準デバイス３９０ｂは、モニタデバイス３９０ａの鋸歯状構造３９２ａ／３９２ｂと同じ材料からそれぞれ形成される、上部および下部領域３９３ａおよび３９３ｂ（図３９Ａ）と、モニタデバイス３９０ａの介在構造３９４と同じ材料で形成された介在構造３９５（図３９Ａ）と、を備える。動作中、上部および下部鋸歯状構造３９２ａおよび３９２ｂの間に印加された電界と同様の電界を、上部および株構造３９３ａおよび３９３ｂの間に印加することによって、上部および下部鋸歯状構造３９２ａおよび３９２ｂの間にＥＯＳ／ＥＳＤ事象を誘発することができる一方で、上部および株構造３９３ａおよび３９３ｂの間には、同様のＥＯＳ／ＥＳＤ事象は誘発されない。したがって、例えば、コア回路内のモニタされた構造の摩耗のレベルは、上述のように決定され得る。
図４０は、半導体材料に拡散するように構成され、かつ応力状態が、モニタ原子が半導体基板４５０に拡散する速度の変化を引き起こすように構成されたモニタ原子を備える摩耗モニタデバイス４００の図である。摩耗モニタデバイスは、一方または両方の側に横方向に、隔離領域４０１ａ、例えば、シャロートレンチアイソレーション領域を含む。摩耗モニタデバイスは、埋め込まれた層４０１ｂをさらに含み、これは、シリコンオン絶縁体（ＳＯＩ）の埋め込まれた酸化物（ボックス）などの、埋め込まれた酸化物層４０１ｂであり得る。したがって、デバイス４００は、隔離領域４０１ａおよび埋め込まれた層４０１ｂによって周囲領域から電気的に絶縁されてもよい。いくつかの実施形態では、半導体基板４５０は、様々なドープ領域が形成されている少なくとも上側部分、これは、エピタキシャル領域であり得る。例示される摩耗モニタデバイス４００は、埋め込まれた酸化物層４０１ｂの垂直上方に、および隔離領域４０１ａ間に横方向に延在する埋め込まれた層領域４６２をさらに備える。摩耗モニタデバイス４００は、半導体基板４５０内に形成された第１のドープ領域４５８をさらに含み、埋め込まれた層領域４６２と接触してもよいし、または接触していなくてもよい。基板４５０、埋め込まれた層領域４６２、および第１のドープ領域は、いくつかの実施形態に従って、同じドーパント型でドープされ得る。例えば、基板４５０は、第１の濃度で、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントであり得る第１のドーパント型でドープされてもよい。第１のドープ領域４５８は、基板４５０に対してより高い濃度で第１のドーパント型でドープされ得る。同様に、埋め込まれた層領域４５８は、基板４５０に対してより高い濃度で第１のドーパント型でドープされ得る。例示される実施形態では、基板４５０、第１のドープ領域４５８および埋め込まれた層領域４６２の各々は、ｎ型ドーパントでドープされる。
摩耗モニタデバイス４００は、第１のドーパント型でドープされた第１の重ドープ領域４５４ａを含む。図４０の例示される実施形態では、第１のドープ領域４５４ａは、重度にドープされたｎドープ（ｎ＋）領域である。摩耗モニタデバイス４００は、第１のドーパント型とは反対の第２のドーパント型でドープされた第２のドープ領域４５４ｂをさらに含む。例示される実施形態では、第２のドープ領域４５４ｂは、ｐ−ドープ領域、例えば、重度にドープされた（ｐ＋）領域である。
例示される実施形態では、基板４５０の一部分は、第１および第２のドープ領域４５４ａおよび４５４ｂを、第１または第２のドープ領域４５４ａまたは４５４ｂよりも実質的に低い濃度で、第１または第２のドーパント型のいずれかでドープされるように、横方向に分離する介在領域を形成する。例示される実施形態では、介在領域は、ｎ−ドープ領域である。したがって、１つの例示的な実施形態において、摩耗モニタデバイス４００は、第１および第２の重ドープ領域４５４ａおよび４５４ｂと、第１および第２の重ドープ領域４５４ａおよび４５４ｂに介入する、第１のドープ領域４５８および基板４５０と、を含み、これにより、ＰＮ接合部は、例えば、Ｐ＋／Ｎ−／Ｎ／Ｎ＋領域で形成された、ｐ＋第２の重ドープ領域４５４ｂ／基板４５０／第１のドープ領域４５８／ｎ＋第１の重ドープ領域４５４ａを備える。しかしながら、摩耗モニタデバイス４００の様々なドープ領域は、単なる例として例示されており、ｐ＋第２の重ドープ領域４５４ｂ、基板４５０、第１のドープ領域４５８、およびｎ＋第１の重ドープ領域４５４ａの各々は、Ｐ＋、Ｐ、Ｐ−、Ｎ＋、ＮまたはＮ−領域のいずれか１つを形成するようにドープされている他の実施形態は可能であることが理解されるであろう。
図４０の摩耗モニタデバイス４００において、第１および第２のドープ領域４５４ａおよび４５４ｂは、誘電層４６３に形成された開口にそれぞれのドーパントを注入することによって形成されるが、実施形態は、そのように限定されない。例えば、他のマスキング（例えば、フォトレジスト）およびドーピング（例えば、拡散）技術は、誘電層４６３を注入マスクとして使用することに代えて、またはそれに加えて使用され得る。
さらに図４０を参照すると、摩耗モニタデバイス４００は、誘電層４６３内の開口を介して、第１の重ドープ領域４５４ａおよび第２の重ドープ領域４５４ｂの上方にそれぞれ形成された第１の電極４０８ａおよび第２の電極４０８ｂをさらに含む。第１および第２の電極４０８ａおよび４０８ｂの一方または両方は、モニタ原子を含むか、またはモニタ原子で形成されており、上述したように、モニタ原子のリザーバとして機能する。例示される実施形態では、第１の電極４０８ａおよび第２の電極４０８ｂは、第１の接着層４１２ａおよび第２の接着層４１２ｂ上にそれぞれ形成される。図６Ａ／６Ｂに関して上述したように、接着層４１２ａ、４１２ｂは、第１および第２の電極４０８ａおよび４０８ｂの接着性を高めることができる。第１の電極４０８ａおよび第２の電極４０８ｂの一方または両方は、摩耗モニタデバイスが、所定の持続時間にわたって、所定の条件の組に供されるとき、それぞれの電極内のモニタ原子の一部が、第１および第２の重ドープ領域４５４ａおよび４５４ｂを通じて、その下に形成される空乏中に拡散するように、構成される。基礎となる半導体材料中の拡散されたモニタ原子の濃度および／または深さに応じて、空乏領域において、累積摩耗歴、例えば、モニタデバイス４００の累積熱摩耗歴が少なくとも間接的に決定され得る。
したがって、構成されるように、摩耗モニタデバイス４００は、基板の表面上に配設される１つ以上のモニタ原子のリザーバ（すなわち、第１および／または第２の電極４０８ａ、４０８ｂ）と、基板４５０内に形成されるモニタ領域（例えば、第２の重ドープ領域４５４ｂの下に形成された空乏領域）とを有する。モニタ原子は、摩耗モニタデバイスが、所定の持続時間にわたって所定の応力状態の組に供されるとき、モニタ原子の一部はモニタ領域中に拡散するように、基板の半導体材料において拡散特性を有する。リザーバは、例えば、モニタ原子を含む電極、またはモニタ原子で形成される層を含むことができる。モニタ領域は、基板内の領域、例えば、上記のＰＮ接合部によって形成される空乏領域を含むことができる。
図４０のデバイス４００を含む摩耗モニタデバイスの様々な実施形態は、モニタ領域内のモニタ原子の存在と関連する電気特性または電気シグネチャが測定され得るように、構成される。電気シグネチャは、例えば、いくつか挙げると、接合部漏れ、接合部静電容量、接合部内蔵電位、接合部逆回復時間、バイポーラベース走行時間（ｆＴ）、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタ閾値電圧、ＭＯＳトランジスタ閾値スイング、ＭＯＳチャネル漏れ、パンチスルー破壊電圧（ＢＶ）、および衝撃イオン化破壊電圧（ＢＶ）のうちのいずれか１つまたは複数であり得る。
図４１Ａは、実験的な電流−電圧（ＩＶ）曲線４１２、および、図４０に概略的に示されるデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の破壊を示すグラフ４１０Ａを示す。ＩＶ曲線４１２は、異なるデバイス間の同様の破壊電圧（ＢＶ）および漏れ電流によって示されるように、電気性能において高度のデバイス均一性を示す、５０台の異なる加工されたデバイスのものである。
図４１Ｂは、２００℃で異なる持続時間の熱応力に供された後、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の実験的な電流電圧（ＩＶ）曲線を示すグラフ４１０Ｂを例示する。特に、ＩＶ曲線４１６ａ〜４１６ｅは、加工時（４１６ｅ）、約１日焼成後（４１６ｄ）、約２日間焼成後（４１６ｃ）、約３日間焼成後（４１６ｂ）および約４日間焼成後（４１６ａ）を含む、様々な焼成時間後に採取された測定値を表す。例示されるように、漏れ電流は、焼成時間の増加と共に増加する。
図４１Ｃは、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの順方向バイアス下の実験電流電圧曲線を示すグラフ４１０Ｃを例示する。特に、ＩＶ曲線４１８は、逆バイアス下の図４１ＢのＩＶ曲線（４１６ｅ〜４１６ａ）に対応する、加工時およびおよそ１日〜４日間の焼成後を含む様々な焼成時間の後に取られた、順方向バイアス下の重複測定値を表す。
図４２Ａは、２００℃で異なる持続時間の熱応力に供された後、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの逆バイアス下の、実験的に測定された漏れ電流をプロットするチャート４２０Ａを例示する。チャート４２０Ａは、２００℃で異なる持続時間の熱応力に供された後、５Ｖで測定された実験漏れ電流のプロット４２２を示す。具体的には、プロット４２２は、加工時およびおおよそ１〜９日間焼成した後を含む、様々な焼成時間後に測定された測定値をプロットする。例示されるように、漏えい電流は、焼成時間の増加と共に増加する。
図４２Ｂは、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの実験的に測定された漏れ電流をプロットする図４２Ａのチャート４２０Ａに基づいて、異なる温度で異なる持続時間の熱応力に供された後、逆バイアス下で計算された漏れ電流をプロットするチャート４２０Ｂである。特に、チャート４２０Ｂは、計算されたプロット４２４、４２６、および４２８を示し、その計算は、図４２Ａのプロット４２２に関して上記で説明した実験漏れ電流に基づくものである。これは、加工時およびおおよそ１〜９日間焼成した後を含む、様々な焼成時間後に測定された測定値を表す。例えば、いかなる理論に束縛されることなく、焼成時間の関数としての漏れ電流密度は、Ｆｉｃｋの第２の法則に基づいて、時間依存性拡散方程式に類似して誘導され得る式に基づいて計算され得る。そのような式に基づいて、１つの焼成温度で実験的に決定された漏えい電流の時間依存性は、他の焼成温度での漏れ電流の時間依存性を予測するために使用することができる。例示されるように、漏れ電流は、焼成温度が上昇するにつれてより速い速度で増加する。
図４２Ｃは、実験的に測定された漏れ電流をプロットする図４２Ａのチャート４２０Ａに基づいて、および、図４０に概略的に示されたデバイスと同様の加工摩耗モニタデバイスの計算された漏れ電流をプロットする図４２Ｂのチャート４２０Ｂに基づいて、異なる温度で異なる持続時間の熱応力に供された後、逆バイアス下の漏れ電流をプロットする等高線図４２０Ｃである。そのような等高線図に基づいて、漏れ電流の予測時間および温度依存は、上記で論じられるように、モニタ原子の拡散が予測行動に続くと予想される任意の温度範囲および任意の時間範囲について決定され得る。
制御された起動で設定された摩耗モニタデバイス
上述のように、様々な実施形態による摩耗モニタデバイスは、応力状態に応答してその拡散速度が変化するモニタ原子を有する。上述のように、原子拡散に基づく摩耗モニタデバイスは、原子拡散が、コア回路および／または摩耗モニタデバイスが起動しているかどうかに関係なく起こり得るため、コア回路および／または摩耗モニタデバイスが起動しているかどうかにかかわらず、コア回路の摩耗をモニタする機能を含む、多くの利点を有する。しかしながら、いくつかの用途に関して、モニタ開始点のタイミングを制御することが望ましい場合がある。以下では、例えば、拡散物質を有する拡散領域への電圧パルスまたは電流パルスを使用することによって、摩耗デバイスが初期化または起動されるまで、原子拡散を防止または制限することによって、摩耗モニタデバイス拡散の開始点または拡散開始時間を制御することができる、摩耗モニタデバイスの実施形態が記載される。以下に開示される様々な実施形態は、これらおよび他の必要性に対処する。
図４３Ａは、実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイス４３０を例示する。図４３Ｂは、図４３Ａのモニタデバイス４３０の拡大図を例示する。具体的には、摩耗モニタデバイス４３０Ａ／４３０Ｂは、第１の領域、例えば、障壁４３８によって、第２の領域、例えば、基板６２から分離されるモニタ原子を備えるリザーバ４３４を備える。摩耗モニタデバイスは、モニタ原子が、電気刺激に応答して、障壁を介して、第２の領域中へと拡散するように構成される。モニタデバイスは、実施形態による、約０．５ｅＶ〜約３．５ｅＶの基板内の拡散活性化エネルギーを有するモニタ原子を有する。図６Ａおよび６Ｂに関して上述したモニタデバイス６０と同様に、モニタデバイス４３０は、半導体基板６２と、その内部に拡散するように構成されたモニタ原子を備えており、モニタ原子は、応力状態が、モニタ原子が半導体基板６２において拡散する速度の変化を引き起こすように構成される。モニタデバイスの様々な領域
摩耗モニタデバイス４３０は、ｎ型またはｐ型であり得る第１のドーパント型でドープされた第１のドープ領域６４を含む。例示される実施形態では、第１のドープ領域６４は、重度にドープされたｐ−ドープ領域、例えば、重度にドープされた（ｐ＋）領域である。
摩耗モニタデバイス４３０は、第１のドーパント型とは反対の第２のドーパント型でドープされる第２のドープ領域６６をさらに含む。すなわち、第１のドープ領域６４がｎ−ドープである場合、ｐ−ドープされ、その逆もまた同様である。例示される実施形態では、第２のドープ領域６６は、ｎ−ドープ領域、例えば、重度にドープされた（ｎ＋）領域である。
摩耗モニタデバイス４３０は、モニタ原子のリザーバ４３４をさらに含む。いくつかの実施形態では、リザーバ４３４は、図６Ａ／６Ｂに関して上述したのと同様の様式で、第１のドープ領域６４に接触する第１の電極６８ａとして機能する。これらの実施形態では、摩耗モニタデバイス４３０は、第２のドープ領域６６に接触する第２の電極６８ｂ（図示せず）をさらに含む。いくつかの他の実施形態では、リザーバ４３４は、電極として機能しない。これらの実施形態では、モニタデバイス４３０は、第１のドープ領域６４に接触する第１の電極６８ａと、第２のドープ領域６６に接触する第２の電極６８ｂとをさらに含み、ここで、モニタ原子を含むリザーバ４３４は、第１および第２の電極６８ａと６８ｂとの間に配設され得る。図６Ａ／６Ｂの摩耗モニタデバイス６０の対応する特徴に類似した、摩耗モニタデバイス４３０の様々な他の構造的特徴の詳細な説明は、本明細書では省略する。
リザーバ４３４は、モニタ原子を組み込む様々な材料で形成され得る。例えば、第１の電極６８ａとして構成された場合、リザーバ４３４は、例えば、モニタ原子とで形成されており、モニタ原子のリザーバとして機能する導電性組成物に関して、図６Ａ／６Ｂに関して上述された第１の電極６８ａと同様であり得る。しかしながら、リザーバ４３４が電極として機能しないか、または必要ではない実施形態において、リザーバ４３４の組成は、電気的に導電する必要はない。例えば、モニタ原子は、リザーバとして機能するが、リザーバ４３４自体は電気的に導電する必要はないように、モニタ原子を含み、モニタ原子で含侵され、ドープされ、または、そうでなければ浸透された電気絶縁材料で形成され得るか、またはそれを含み得る。例えば、リザーバ４３４は、誘電材料（例えば、酸化物、亜硝酸塩、ポリマーなど）で形成され得るか、もしくはそれを含み得る、または比較的低い濃度の電気的に活性なドーパントでドープされた半導体で形成され得るか、もしくはそれを含み得る。
上記の摩耗−私たちのモニタデバイスからのさらなる差異として、リザーバ４３４は、障壁４３８によって半導体基板６２から分離されてもよい。例示される実施形態では、障壁４３８は、リザーバ４３４と基板６２との間に介在し、リザーバ４３４を囲む。形成されるように、障壁４３８は、変更されずに、リザーバ４３４から基板６２へのモニタ原子の拡散をブロックする材料で形成される物理的障壁である。
図４４Ａおよび４４Ｂは、実施形態による、図４３Ａ／４３Ｂに関して上記で説明されたような摩耗モニタデバイスにおいて、モニタ原子によって「見られる」潜在的な障壁を描写する、３次元および２次元のエネルギー空間図４４０Ａおよび４４０Ｂを例示する。図４４０Ａのウェル領域および図４４０Ｂの左側領域は、エネルギー空間において、リザーバ４３４内のモニタ原子によって「見られる」エネルギーレベルを表し、図４４０Ａの外側ウェル領域および図４４０Ｂの右側領域は、エネルギー空間において、基板６２内のモニタ原子によって「見られる」エネルギーレベルを表す。例示されるように、リザーバ４３４および基板６２は、リザーバ４３４および基板６２のエネルギーレベルよりも高いモニタ原子によって「見られる」というエネルギーレベルを有する物理的障壁によって分離される。エネルギー障壁の高さは、コア回路の通常の動作条件下で、例えば、約８５℃以下、１２５℃以下または２５０℃以下の温度エネルギーに対応する熱エネルギー内であり、例えば、エネルギー障壁を克服する原子の確率は、無視できる。すなわち、実施形態に従って、障壁４３８とリザーバ４３４との間の平均エネルギーレベルにおける差、ΔＥの差は、例えば、（ｋＴ〜０．０２３ｅＶ）、例えば、０．０５８ｅＶ（４００℃）以上、０．７５ｅＶ（６００℃）以上、０．０９２ｅＶ（８００℃）以上、０．１１ｅＶ（１０００℃）以上より実質的に高くなり得る。したがって、障壁４３８とリザーバ４３４との間のΔＥより低い温度で、モニタ原子の熱エネルギー（例えば、ｋＴ）と関連する障壁４３８を通じたモニタ原子の拡散速度は、無視できる。したがって、障壁４３８を変化させることなく、モニタ原子が、基板６２中へ拡散することが実質的に防止される。
エネルギー空間図４４０Ｂに関して例示される実施形態において、リザーバ４３４および基板６２のエネルギーレベルは、実質的に類似している。例えば、リザーバ４３４が、基板と同じ材料、例えば、シリコンで形成され得る場合、かつ、モニタ原子、例えば、金で含浸される場合、そのようなことはあり得る。しかしながら、実施形態は限定されず、リザーバ４３４および基板６２のエネルギーレベルは、実質的に異なり得る。例えば、リザーバ４３４が、基板とは異なる材料、例えば、モニタ原子、例えば、金で含浸された電極金属で形成され得る場合、そのようなことはあり得る。
いくつかの実施形態では、障壁４３８とリザーバ４３４との間のΔＥは、例えば、障壁４３８およびリザーバ４３４内のモニタ原子の活性化エネルギーの差異に相当し得る。これらの実施形態では、実施形態に従って、障壁４３８内のモニタ原子の活性化エネルギーは、リザーバ４３４内のモニタ原子の活性化エネルギーより、例えば、０．０５８ｅＶ（４００℃）以上、０．７５ｅＶ（６００℃）以上、０．０９２ｅＶ（８００℃）以上、０．１１ｅＶ（１０００℃）以上大きくてもよい。
障壁４３８に使用される絶縁材料または誘電材料の例は、半導体処理に適合する様々な無機誘電材料、例えば、いくつか挙げると、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、およびＳｉＮｘを含む。障壁４３８に使用される絶縁材料または誘電材料の例はまた、電気活性ポリマーおよび共役導電性ポリマーを含む、半導体処理に適合する様々な無機または有機ポリマー材料も含む。例えば、障壁４３８は、様々な他の好適なポリマー材料がある中で、実施形態に従って、モニタ原子が上記のようにより高い障壁を「見る」、ポリピロール（ＰＰｙ）、ポリ３、４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、ポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−ｐ−フェニレンビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリフルオレン、フルオロカーボンフィルム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成することができる。有利なことに、これらの材料は、他のプロセスの中でも、半導体処理に適合する様々な蒸着プロセス、例えば、化学蒸着、原子蒸着、または物理蒸着を用いて形成することができる。
障壁４３８に使用される導電性材料の例は、実施形態に従って、モニタ原子が上記のようにより高い障壁を「見る」、半導体処理に適合する様々な金属またはドープされた半導体を含む。
実施形態によれば、障壁４３８は、電気刺激、例えば、電圧または電流刺激に応答して、障壁４３８が、実質的に変更されるか、または下降するように構成された絶縁材料または導電性材料で形成される。代替的にまたは追加的に、電気刺激、例えば、電圧または電流刺激に応答して、拡散物質またはモニタ原子は、基板中に拡散するのに十分なエネルギーを得る。様々な実施形態において、障壁４３８の変更、または拡散物質による十分なエネルギーの取得は、上述したように、コア回路に供される様々な応力下で、モニタ原子が、基板中に拡散され始めるように、摩耗モニタデバイス４３０を開始または起動することができる。
いくつかの実施形態では、電圧または電流刺激もやはり、リザーバ４３４下のモニタ領域のジュール加熱を誘導し得る。例示される実施形態では、ジュール加熱は、図８に関して上述した電流モニタのジュール加熱と同様の方法で生じ得る。第１の電極６８ａと第２の電極６８ｂとの間に配設されているリザーバ４３４を除き、摩耗モニタデバイス４３０の構成は、図８に関して上述した摩耗モニタデバイス８０と構造的に類似していてもよい。ジュール加熱によって引き起こされるモニタ原子の拡散速度の効果を測定するために、第１の電極６８ａと第２の電極６８ｂとの間の電流を使用することに加えて、またはその代わりに、第１の電極６８ａと第２の電極６８との間に流れる電流は、熱的および／または電気的に障壁４３８を変更するために使用される。モニタ原子を基板中に実質的に拡散させることなくジュール加熱によって障壁４３８を変更するために、図４３Ａ／４３Ｂにおける第１の電極６８ａと第２の電極６８ｂとの間で順方向バイアスされたＰＮ接合部と直列に形成された抵抗器として表される、リザーバ４３４の下のモニタ領域は、過渡電圧または電流パルスに供され得る。電圧または電流パルスは、効率的なジュール加熱のために十分な電流密度が供給され得るように、摩耗モニタデバイス４３０のＰＮ接合部が順方向バイアスされるバイアス条件下で適用され得る。順方向バイアスに応答して、モニタ構造の直列抵抗器は、十分な熱を生成し、これにより、ΔＥが実質的に低下または排除されるように障壁４３８が変更され、例えば、永久的に変更される。例えば、ジュール加熱下では、障壁４３８は、構造改変、例えば、結合破壊またはピンホールを生じ得る。ΔＥが実質的に低下または排除されると、モニタ原子の原子拡散は、上述の様々な実施形態にあるように生じる。例えば、障壁４３８が電圧または電流パルスによって一旦変更されると、続いて摩耗モニタデバイス４３０が、所定の持続時間にわたって、所定の条件の組に供されるとき、リザーバ４３４内のモニタ原子の一部は、第１および第２のドープ領域６４、６６の間に形成された空乏領域中に拡散する。基礎となる半導体材料中、例えば空乏領域中の拡散されたモニタ原子の濃度および／または深さに応じて、デバイス６０の累積摩耗歴、例えば累積熱摩耗歴が少なくとも間接的に決定され得る。上述したモニタデバイス４３０のデバイス構造および動作のさらなる詳細は、省略されるであろう。したがって、上述のように、エネルギー空間図４４０Ｂによって描写される摩耗モニタデバイス４３０は、例えば、使用活性化摩耗モニタとして構成され得る。
図４５は、実施形態による、摩耗モニタデバイスにおけるモニタ原子によって「見られる」潜在的な障壁を示す２次元エネルギー空間図４５０を例示する。具体的には、エネルギー空間図４５０は、障壁４３８が省略されていることを除いて、摩耗モニタデバイス４３０と同様の摩耗モニタデバイスに対応する。加えて、リザーバ４３４および基板６２のエネルギーレベルが実質的に類似している、エネルギー空間図４４０Ｂ（図４４Ｂ）に関して記載される摩耗モニタとは異なり、エネルギー空間図４５０に対応する摩耗モニタデバイス、リザーバ４３４のエネルギーレベル（左側）は、基板６２のエネルギーレベル（右側）より実質的により低い。例えば、リザーバ４３４が、基板、例えば、モニタ原子で含浸された電極金属、またはモニタ原子、例えば、金で形成された電極とは異なる材料で形成される場合、そのようなことはあり得る。これらの実施形態において、障壁４３８は、省略されるが、モニタ原子は、リザーバ４３４および基板６２の間のエネルギーレベルにおける差ΔＥ２によって表される障壁を依然として「見る」。ΔＥ２は、図４４に関して上述したΔＥと比較して、同様の、より大きい、または小さい大きさであってもよい。したがって、図４３に関して上述したモニタデバイス４３０とは異なり、障壁４３８は省略され、それにもかかわらず、モニタ原子は、基板６２中に拡散する前に、障壁を克服する。電気エネルギー、例えば、電流または電圧パルスを受け取ると、モニタ原子は障壁ΔＥ２を克服し得る。これは、図４３に関して上述したのと同様の様式で、リザーバ４３４の下のモニタ領域のジュール加熱をもたらす。エネルギー障壁ΔＥ２を克服するモニタ原子は今や、上述の様々な実施形態と実質的に同様の様式で基板６２中にさらに拡散することができる。
図４６は、実施形態による、摩耗モニタデバイスにおけるモニタ原子によって「見られる」潜在的な障壁を示す２次元エネルギー空間図４６０を例示する。具体的には、エネルギー空間図４６０によって描写される摩耗モニタデバイスは、描写される摩耗モニタデバイスが、図４３に関して上に描写された摩耗モニタデバイスと同様に、障壁４３８をさらに含むことを除いて、エネルギー空間図４５０（図４５）に関して上述された摩耗モニタデバイスと同様である。エネルギー空間図４５０と同様に、リザーバ４３４のエネルギーレベル（左側）は、基板６２のエネルギーレベル（右側）よりも低く、障壁４３８は、リザーバ４３４内に形成される。例えば、リザーバ４３４が、基板、例えば、モニタ原子で含浸された電極金属、またはモニタ原子、例えば、金で形成された電極とは異なる材料で形成される場合、および、障壁４３８が、リザーバ４３４内に形成される場合、そのようなことはあり得る。結果として、リザーバ４３４は、障壁４３８によって、第１の（左）領域および第２の（右）領域に分割される。これらの実施形態において、障壁４３８が、例えば、電気パルスを介したジュール加熱によって、下降または排除されるとき、図４３および４４Ａ／４４Ｂに関して上述したのと同様の様式で、摩耗モニタデバイスは、初期化される。しかしながら、モニタ原子は、リザーバ４３４および基板６２の間のエネルギーレベルにおける差ΔＥ２によって表される障壁を依然として「見る」。したがって、図４３および４４Ａ／４４Ｂに関して上述したのと同様に、障壁４３８を下降または除去することによって初期化されることに加えて、またはその後で、モニタ原子は、図４５に関して上述したのと同様の様式で、基板６２中にさらに拡散する前に、第２の障壁ΔＥ２をさらに克服する。
図４７は、実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された、摩耗モニタデバイス４７０の図である。特に、モニタデバイス４７０は、図４５に描写されるエネルギー空間図に従って配置されたモニタ原子を含む。ここで、リザーバ内のモニタ原子のエネルギーレベルが基板の基板内のモニタ原子のエネルギーレベルよりも実質的に低くなる。モニタデバイス４７０の様々な構造は、図４０に関して上述さされたモニタデバイスのものと同様に配置される。例えば、モニタデバイス４７０は、隔離領域４０１ａ、例えば、一方または両方の側に形成されたシャロートレンチアイソレーション領域、および、摩耗モニタデバイス４７０のアクティブ領域の下に横方向に延在する埋め込まれた酸化物（ボックス）層４０１ｂによって横方向に隔離される。摩耗モニタデバイス４７０は、埋め込まれた酸化物層４０１ｂの垂直上方に、横方向に延在する、埋め込まれた層（ＮＢＬＹ）領域４６２をさらに備える。摩耗モニタデバイス４００は、半導体基板４５０内に形成された第１のドープ領域４５８をさらに含む。基板４５０、埋め込まれた層領域４６２および第１のドープ領域は、いくつかの実施形態に従って、同じドーパント型でドープされ得る。例えば、基板４５０は、第１の濃度で、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントであり得る第１のドーパント型でドープされ得る。第１のドープ領域４５８は、基板４５０に対してより高い濃度で第１のドーパント型でドープされ得る。同様に、埋め込まれた層領域４５８は、基板４５０に対してより高い濃度で第１のドーパント型でドープされ得る。例示される実施形態では、基板４５０、第１のドープ領域４５８および埋め込まれた層領域４６２の各々は、ｎ型ドーパントでドープされる。摩耗モニタデバイス４００は、第１の重ドープ領域４５４ａ、例えば、重度にドープされたｎドープ（ｎ＋）領域および第２の重ドープ領域４５４ｂ、例えば、重度にドープされたｐ−ドープ（ｐ＋）領域を含む。様々なドープ領域の詳細な相対的ドーピング濃度および処理方法は、図４０に関して上述されたように同様であってもよく、それらの詳細な説明は省略される。
さらに図４７を参照すると、摩耗モニタデバイス４７０は、誘電層４６３内の開口を介して、第１の重ドープ領域４５４ａおよび第２の重ドープ領域４５４ｂの上方にそれぞれ形成された第１の電極４０８ａおよび第２の電極４０８ｂをさらに含む。第１および第２の電極４０８ａおよび４０８ｂの一方または両方は、図４３に関して上述したモニタ原子のリザーバ４３４と同様の、モニタ原子のリザーバとして機能し、これらは、図４５に描写されるエネルギー空間図に従って配置されたモニタ原子を含むか、またはモニタ原子で形成されている。すなわち、第１の電極４０８ａおよび第２の電極４０８ｂの一方または両方は、リザーバ内のモニタ原子のエネルギーレベルが基板内のモニタ原子のエネルギーレベルよりも実質的に低いように配置されるモニタ原子を有する。
したがって、構成されるように、摩耗モニタデバイス４７０は、基板の表面上に配設される１つ以上のモニタ原子のリザーバ（すなわち、第１および／または第２の電極４０８ａ、４０８ｂ）と、基板４５０内に形成されるモニタ領域（例えば、第２の重ドープ領域４５４ｂの下に形成された空乏領域）とを有する。リザーバおよび基板内のモニタ原子の相対的なエネルギーレベルは、図４５に関して上述されたエネルギー障壁ΔＥ２を克服すると、図４０に関して上述したように、基板の半導体材料内のモニタ原子が、基板のモニタ領域中にさらに拡散する、といったものである。すなわち、摩耗モニタデバイスが、所定の持続時間にわたって所定の応力状態の組に供されるとき、モニタ原子の一部はモニタ領域中に拡散する。ここで、モニタ領域は、基板内に領域、例えば、ＰＮ接合部によって形成された空乏領域を含むことができる。測定され得るモニタ領域の様々な電気特性が、図４０に関して上述されており、ここでは省略される。
図４８は、いくつかの他の実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイス４８０の図である。特に、モニタデバイス４８０は、図４４Ａ／４４Ｂまたは４６に描写されるエネルギー空間図に従って配置されたモニタ原子を含む。ここで、障壁４３８は、リザーバと、リザーバおよび基板のエネルギーレベルより高いエネルギー障壁を有する基板との間に存在する。リザーバ内のモニタ原子のエネルギーレベルは、基板内のエネルギーレベルと比較して、実質的に類似しているか（図４４Ａ、４４Ｂ）、または実質的により低い（図４６）。モニタデバイス４８０の様々な構造は、その説明が本明細書において省略される、障壁４３８の存在を除き、図４７に関して上述された摩耗モニタデバイスのものと同様に配置される。加えて、障壁４３８の様々な物理的特性ならびに物理的構成およびエネルギー構成が、図４３、４４Ａ／４４Ｂおよび４６に関して上述され、ここでは、省略される。
図４９Ａ〜４９Ｆは、いくつかの他の実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイス４９０の電気的応答を例示する。図４９Ａは、モニタデバイス４９０の構造の断面図を例示し、図４７に関して上述した摩耗モニタデバイス４７０と同様の様式で配置されたモニタ原子を含む。ここで、摩耗モニタ４９０が、複数のリザーバ４３８に電気パルスが印加されると起動するように、複数のリザーバ４３８内のモニタ原子のエネルギーレベルが基板内のモニタ原子のエネルギーレベルより実質的に低くなる。モニタデバイス４９０の様々な構造の配置は、摩耗モニタデバイス４９０が第１の電極４０８ａとして構成される複数のリザーバを含むことを除いて、図４７に関して上述した摩耗モニタデバイス４７０と実質的に同様である。図４９Ｂは、リザーバ４３８に印加され得る電気パルス４９２の例を例示する。例示される実施形態にでは、第１の電極４０８ａとして構成されたリザーバ４３８は、ｐ−ドープ領域、例えば、ｎ−ドープ領域、例えば、ｎ−ドープエピタキシャル領域内に形成された重度にドープされたｐ＋領域に接触しており、印加される電気パルスは、ｐドープ領域およびｎ−ドープ領域によって形成されるＰＮ接合部が順方向バイアスされるように、第１の電極４０８ａおよび第２の電極４０８ｂの間に印加される正電圧である。図４９Ｃは、図４９Ｂに例示される電気パルスに起因するシミュレーションされた電流密度分布４９０ｃの断面図を例示し、図４９Ｄは、ジュール熱に起因するシミュレーションされた熱分布４９０ｄの断面図を例示し、図４９Ｅは、図４９Ｂに例示される電気パルスに起因するシミュレーションされた衝撃イオン化分布４９０ｅの断面図を例示し、図４９Ｆは、図４９Ｂに例示される電気パルスに起因するシミュレーションされた電位勾配分布４９０ｆを例示する。図４９Ｃ〜４９Ｆに関して例示される様々なシミュレーションについて、図４９Ａの摩耗モニタデバイス４９０においてｎドープ領域内で重度にドープされたｐ＋領域によって形成されるＰＮ接合部は、第１の電極４０８ａおよび第２の電極４０８ｂの間の約２０Ｖの公称電圧で約１００ｎｓの公称パルス幅を有する図４９Ｂに関して例示される電圧パルス下で、ＰＮ接合部が順方向バイアスされ、かつ、図４９Ｂに示すように約１×１０３Ａ／ｃｍ２を超えるピーク電流密度が達成され、これがやはり、図４９Ｄに例示されるように、約４２０Ｋ（または約１４７℃）を超えるピーク温度を誘導するように、構成される。
図４３〜４９に関する上記において、モニタ構造が、原子拡散に基づいて摩耗モニタとして機能する前に初期化されるように構成される、モニタ構造を有する摩耗モニタデバイスの様々な実施形態が記載されている。様々な用途について、摩耗モニタデバイスが複数のモニタ構造を含むことが望ましい場合があり、各モニタデバイスは、以下に記載されるように、リザーバを含み、障壁をも含み得る。
図５０Ａは、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスの断面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイス５００は、複数のモニタ構造Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎを含む。モニタ構造Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎの各々は、図４３〜４９に関して上述した実施形態のいずれかによるリザーバ４３４を含み、図４３、４４Ａ／４４Ｂ、４６、および４８に関して上述した実施形態のいずれかによる障壁４３８も含み得る。例示される実施形態では、モニタ構造Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎの各々は、名目上同じ構造を有し、名目上同じ間隔によって分離される。そのような構成は、例えば、以下にさらに記載するように、他の利点がある中で、摩耗応力の空間的プロファイルを取得するために、摩耗応力の時間発展を取得するために、ならびに／または異なる時間および／もしくは条件で、摩耗モニタデバイスの異なる領域を初期化するために、有利であり得る。しかしながら、図５１に例示されるように、実施形態は、そのように限定されない。
図５０Ｂは、摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、電気刺激を供給するように構成された電流供給トランジスタ５０４を有する制御回路の例示的な実装を示す。特に、電流供給トランジスタは、図４９Ｂに例示される実施形態に従って、約１×１０３Ａ／ｃｍ２、約１×１０４Ａ／ｃｍ２または約１×１０５Ａ／ｃｍ２を超えるピーク電流密度が達成され得る、十分に大きいトランジスタであり、これはやはり、約４２０Ｋ（または約１４７℃）、４７０Ｋ（または約１９７℃）または約５２０Ｋ（または約２４７℃）のピーク温度を誘導することができる。
図５１Ａは、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイス５１０Ａの断面図（上段の図）および上下平面図（より低い図面）を示す。例示される実施形態では、摩耗モニタデバイス５１０Ａは、複数の異なるモニタ構造Ｇ、Ｆ、Ｄ、およびＥを含む。図５０に関して上述した摩耗モニタデバイス５００と同様に、モニタ構造Ｇ、Ｆ、Ｄ、Ｅの各々は、図４３−４９に関して上述された実施形態のいずれかによるリザーバ４３４を含み、図４３、４４Ａ／４４Ｂ、４６、および４８に関して上述された実施形態のいずれかによる障壁４３８も含み得る。しかしながら、摩耗モニタデバイス５００と異なり、例示される実施形態において、モニタ構造Ｇ、Ｆ、Ｄ、Ｅのうちの各々は、それらの材料組成、寸法、および／または側面構成を含んで、リザーバおよび／または障壁を含む構造の１つまたは複数に関して、モニタ構造の隣接する１つと比較して異なって構成される。摩耗応力の空間的プロファイルを取得することに加えて、摩耗応力の空間的プロファイルを取得するために、摩耗応力の時間発展を取得するために、ならびに／または異なる時間および／もしくは条件で、摩耗モニタデバイスの異なる領域を初期化するために、摩モニタデバイス５１０Ａは、他の利点がある中で、異なる領域において異なる拡散速度を得るために、さらに有利であり得る。
図５１Ｂは、いくつかの他の実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイス５１０Ｂの断面図を示す。摩耗モニタデバイス５１０Ｂは、各々が異なって配置された障壁を有する、複数の異なるモニタ構造Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎを含む。特に、異なるモニタ構造Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎはそれぞれ、異なるモニタ構造が、異なる電気刺激、例えば、異なる電圧パルス下で初期化されるように、厚さＨ１、Ｈ２、…Ｈｎを有する障壁を有することができる。加えて、モニタ構造Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎは、異なるモニタ原子を含むことができ、および／またはリザーバが、モニタ原子を含むマトリックスで形成されるとき、モニタ原子を含む異なるマトリックス材料を含むことができる。
図５２は、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された、摩耗モニタデバイス、５２０の上下平面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイス５２０は、複数の行を有する配列、例えば、モニタ構造Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎを含む第１の行Ｒ１と、モニタ構造Ｄ４、Ｄ５、．．．Ｄｍを含む第２の行Ｒ２とを含む。配列は、複数の列、例えば、モニタ構造Ｄ１、Ｄ４、．．．Ｄｉを含む第１列Ｃ１と、モニタ構造Ｄ２、Ｄ５、．．．Ｄｊを含む第２列Ｃ２とを含む。モニタ構造Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎ、およびＤ４、Ｄ５、．．．Ｄｍは、図５１に関して上述されるように、名目上同じであるか、または、図５２に関して上述されるように、名目上異なるものであってもよい。例示される実施形態では、モニタ構造は、複数の行Ｒ１、Ｒ２、．．．および／または列Ｃ１、Ｃ２、．．．を有する規則的配列において電気的に接続されるように構成される。いくつかの実施形態では、電気的接続は、モニタ構造Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎを含む各行の各々が、例えば、並行して、および／または同時に、初期化のために、電気的にアクセスされ得るといったものであり得る。いくつかの他の実施形態では、電気的接続は、別個モニタ構造の各々が、例えば、初期化のため、特定の行および列に適切な電気信号を印加することによって、「ビットアドレス可能」な様式で、個々に電気的にアクセスされ得るといったものであり得る。配列構成は、以下にさらに記載するように、他の利点がある中で、例えば、摩耗応力の空間的プロファイルを取得するために、摩耗応力の時間的および／または空間的発展を取得するために、ならびに／または異なる時間および／もしくは条件で、摩耗モニタデバイスの異なる領域を初期化するために、有利であり得る。
図５３は、実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイス５３０の上下平面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイス５３０は、基準点または中心位置から異なる半径方向距離で配置された複数のモニタ構造Ｄ１、Ｄ２、…Ｄｎを有する配列を含む。図５２に関して上述した摩耗モニタデバイス５２０と同様に、モニタ構造Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎは、図５１に関して上述されるように、名目上同じであり得るか、または、図５２に関して上述されるように、名目上異なるものであり得る。しかしながら、図５２とは異なり、行および／または列を有するように配置される代わりに、摩耗モニタデバイス５３０のモニタ構造Ｄ１、Ｄ２、Ｄｎは、モニタ構造が、熱源であり得る中心位置または中心構造Ｈに対して、それぞれ異なる半径方向距離ｒ１、ｒ２、．．．ｒｎを有するように配置される。配列構成は、以下にさらに記載するように、他の利点がある中で、例えば、摩耗応力の空間的プロファイル、例えば、半径方向プロファイルを取得するために、摩耗応力の時間的および／もしくは空間的発展を取得するために、ならびに／または異なる時間および／もしくは条件で、摩耗モニタデバイスの異なる領域を初期化するために、有利であり得る。
図４３〜５３に関する上記において、垂直方向、例えば、基板表面に垂直な方向における基板中への原子拡散に基づいて、摩耗モニタとして機能する前に、初期化されるように構成される、モニタ構造を有する摩耗モニタデバイスの様々な実施形態が記載されている。様々な用途について、摩耗モニタが、横方向、例えば、基板表面に平行な方向における基板中への原子拡散に基づいて、摩耗モニタとして機能する前に、初期化されるように構成される、モニタ構造を含むことが望ましい場合がある。
図５４Ａおよび５４Ｂは、実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された、摩耗モニタデバイス５４０の上下平面図の断面図を示す。摩耗モニタ５４０は、実施形態に従って、横方向における原子拡散に基づいて、摩耗モニタとして機能する前に、初期化されるように構成される。図４３に関して上述したモニタデバイスとは異なり、モニタデバイス５４０において、モニタ原子は、基板表面に沿った横方向である正味拡散方向を有する。図５４Ａおよび５４Ｂを参照すると、例示される摩耗モニタデバイス５４０は、凹領域５４６、例えば、円形凹領域によって囲まれた、その上に形成されたモニタ領域５４４、例えば、円形モニタ領域を有する基板６２を含む。摩耗モニタデバイス５４０は、凹領域５４６に形成された、モニタ領域５４４を囲む、例えば、環状に囲むリザーバ４３４と、および、リザーバ４３４を囲む、例えば、環状に囲む障壁４３８とをさらに含む。モニタ領域５４４は、横寸法、例えば、横方向に拡散するモニタ原子が、その寿命の間にコア回路の摩耗の指標を与えるように適合された直径Ｅを有することができる。凹領域５４６は、リザーバ４３４および障壁４３８を収容するように適合された深さＦを有する。横方向の配置を除いて、材料、モニタ領域５４４、障壁４３８、およびリザーバ４３４の間のエネルギー関係、障壁４３８を省略する可能性、および、モニタ領域５４４が含み得る様々な半導体ドープ領域、を含む様々な他の構成は、上述の様々な実施形態と実質的に同様であり、よって、それらの詳細な説明は、本明細書では省略される。
いくつかの実施形態では、モニタ領域５４４、リザーバ４３３、および障壁４３８は、永久的拡散障壁５４８によってバルク基板から分離され得る。例示される実施形態は、モニタ領域５４４、障壁４３８、および環状同心円領域として構成されたリザーバ４３４を含む。しかしながら、モニタ領域５４４、障壁４３８、およびリザーバ４３４が、実施形態に従って、横方向における原子拡散に基づいて、コア回路摩耗の指標を記録するように適合された任意の好適な形状として構成される、他の実施形態が、可能である。
図５５Ａ〜５５Ｃはそれぞれ、実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された、摩耗モニタデバイス５５０Ａ、５５０Ｂおよび５５０Ｃの上下平面図を示す。図５４Ａ／５４Ｂに関して例示される摩耗モニタデバイス５４０と同様に、摩耗モニタデバイス５５０Ａ、５５０Ｂ、および５５０Ｃは、実施形態に従って、横方向における原子拡散に基づいて、摩耗モニタとして機能する前に、初期化されるように構成される。しかしながら、図５４Ａ／５４Ｂに関して上述した、モニタ原子が、半径内向き方向に、例えば、リザーバから内側に向けて中央に形成されたモニタ領域に向かって拡散する、モニタデバイスとは異なり、摩耗モニタデバイス５５０Ａ、５５０Ｂ、および５５０Ｃでは、モニタ原子が、半径外向き方向に、例えば、リザーバから外側に向けて外側の位置に形成されたモニタ領域に向かって拡散する。摩耗モニタデバイス５５０Ａ、５５０Ｂ、および５５０Ｃの各々は、その上に形成された１つ以上のモニタ構造５５０−１、５５０−２、５５０−３、．．．５５０−ｎを有する基板６２を含む。４つのモニタ構造が例示されるが、例示された４つのモニタ構造と同様の様式で含まれ得る１つのまたは任意の好適な数のモニタ構造が存在し得る。
１つ以上のモニタ構造５５０−１、５５０−２、５５０−３、．．．５５０−ｎの各々は、例えば円形の専用または共用のリザーバと、円形を有する専用または共用のリザーバを囲む、例えば、円形またはリング形を有する専用のまたは共有された障壁と、半径方向に延びるそれぞれのモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎと、を含む。１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎの各々は、障壁４３８を横切るモニタ原子が、モニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎのうちの１つに沿って、半径方向において拡散し得るように、障壁４３８に接触している一端を有する。例示される実施形態では、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎは各々、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎの各々においてモニタ原子が横方向外側に拡散するように、基板表面に平行な横方向に延びるストリップ、トラックまたはチャネル構造として形成される。
実施形態によれば、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎは、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎのうちの異なるものが、モニタ原子を異なる速度で、および／または異なる濃度プロファイルで拡散させることができるように、同じもしくは異なる材料で形成され得るか、同じもしくは異なる寸法（例えば、長さ）を有し得るか、またはそうでなければ、同じもしくは異なる構成を有することができる。
さらに図５５Ａ〜５５Ｃを参照すると、モニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎは、モニタ領域の各々と関連する電気特性を測定するための長さに沿って形成された長さおよび１つ以上の測定構造５５４を有する。例えば、１つ以上の測定構造５５４は、例えば、モニタ領域の各々と関連する電気特性を測定するためのコンタクトまたはプローブを含むことができる。いくつかの実施形態では、より多くの測定構造５５４の隣接するものは、一定距離によって分離され得る。
いくつかの実施形態では、リザーバ４３４、障壁４３８、および１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−４は、基板６２、例えば、共通平面基板上に形成され得る。
いくつかの他の実施形態では、少なくともリザーバ４３４および障壁４３８は、基板６２に形成された凹領域内に形成されてもよい。凹領域は、例えば、図５４Ａ／５４Ｂに関して上述された凹領域の逆であり得る。例えば、障壁４３８は、中央位置の側壁に形成された凹領域の側壁上に、例えば、円型凹領域の側壁上に、障壁材料を蒸着させ、凹領域、例えば、円型凹領域にリザーバ材料を蒸着させることによって、形成し得る。
加えて、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎは、例えば、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎが、基板とは異なる材料で形成されるとき、基板６２内に形成され得る。例えば、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎの形状を有する凹領域を最初に形成し、凹領域を１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−４の材料で充填することによって形成された、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎ。
１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎの各々は、横寸法、例えば、半径方向外方に拡散するモニタ原子が、その寿命の間にコア回路の摩耗の指標を与えるように適合された長さ、を有する。リザーバ４３４および障壁４３８は、図５４Ａ／５４Ｂで上述されたように、リザーバ４３４および／または障壁４３８を凹領域内に収容するように適合された深さＦに対応する厚さを有することができる。横方向の配置を除いて、材料、モニタ領域５４４、障壁４３８、およびリザーバ４３４の間の相対的なエネルギーレベル、障壁４３８を省略する可能性、ならびにモニタ領域５４４が含み得る様々な半導体ドープ領域、を含む、様々な他の構成は、上述の様々な実施形態と実質的に同様であり、よって、それらの詳細な説明は、本明細書では省略される。
動作中、電気刺激によって障壁４３８と関連付けられたエネルギー障壁を下降または排除すると、上述したように、摩耗モニタデバイスが初期化される。初期化後、摩耗応力に応答して、モニタ原子は、リザーバ４３４から、横方向に細長い１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎ中に拡散し始める。１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎの各々の長さ方向に沿った間隔で位置する複数の測定構造５５４は、空間的に依存する電気的指標、例えば、漏れ電流を提供し得る。空間的に依存する電気的指標は続いて、上述したモニタ原子の拡散の時間依存に基づいて、コア回路によって経験された摩耗応力の経時的な履歴を提供することができる。
モニタデバイス図５５Ａのデバイス５５０Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、モニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎは、共通障壁４３８と接触し、共通リザーバ４３４からモニタ原子が供給されるように構成される。構成されるように、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎの各々の長さ方向に沿って位置する複数の測定構造５５４は、異なる方向において空間的に依存する電気的指標を提供することができ、これもやはり、コア回路によって経験された摩耗応力の対応する経時的な履歴を提供することができる。
図５５Ｂのモニタデバイス５５０Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、別個の障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３、および４３８−Ｂ４は、１つ以上の１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎは、同じである、の各々の専用である。障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３、．．．４３８−Ｂｎは、障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３、．．．４３８−Ｂｎを変造させる電気刺激に応答して実質的に変更されない熱的に強固な分割によって物理的に分離され得る。別個の障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３、．．．４３８−Ｂｎの各々は、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎの各々が、互いに独立して初期化されるように構成されるように、電気刺激によって独立して変更されるように構成される。したがって、複数の摩耗指標は、ユーザの選好に基づいて異なる時間に初期化され得る。
いくつかの実施形態では、別個の障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３．．．４３８−Ｂｎは、同じもしくは異なる電気刺激に応答して、相応に変更されるように構成されるように、同じもしくは異なる材料で形成され得るか、または同じもしくは異なる寸法（例えば、厚さ）を有し得るか、またはそうでなければ、同じもしくは異なる構成を有し得る。
図５５Ｃを参照すると、いくつかの実施形態では、図５５Ｂに関して上述した、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎのための別個の障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３、．．．４３８−Ｂ４に加えて、モニタデバイス５５０Ｃは、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、…５５２−ｎの各々専用の別個のリザーバ４３４−Ａ１、４３４−Ａ２、４３４−Ａ３、．．．４３４−Ａｎをさらに含むことができる。障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３、．．．４３８−Ｂｎは、図５５Ｂに関して上述されるように構成され得る。加えて、別個のリザーバ４３４−Ａ１、４３４−Ａ２、４３４−Ａ３、．．．４３４−Ａ４の各々は、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎが、互いに独立して初期化され、独立してモニタ原子と共に供給されるように構成されるように、障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、４３８−Ｂ３、．．．４３８−Ｂｎのうちの対応する１つが電気刺激によって変更された後、１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎに拡散されるモニタ原子を独立して供給するように構成され得る。したがって、ユーザの選好に基づいて異なる時間に初期化されることに加えて、複数の摩耗指標は、独立して、モニタ原子と共に供給され得る。
いくつかの実施形態では、別個のリザーバ４３４−Ａ１、４３４−Ａ２ ４３４−Ａ３、．．．４３４−Ａｎは、それらが１つ以上のモニタ領域５５２−１、５５２−２、５５２−３、．．．５５２−ｎのうちのそれぞれのものに、同じもしくは異なるモニタ原子を供給するように構成されるように、同じもしくは異なるモニタ原子を含有し得るか、モニタ原子を組み込む同じもしくは異なるマトリックス材料を含有し得るか、同じもしくは異なる寸法（例えば、体積）を有し得るか、またはそうでなければ、同じもしくは異なる構成を有し得る。
したがって、図５５Ｃの例示される実施形態において、リザーバ、障壁およびモニタ領域の異なる組み合わせを有する１つ以上のモニタ構造５５０−１、５５０−２、５５０−３、．．．５５０−ｎの異なるものは、摩耗応力の異なる種類、異なる大きさ、および／または異なる持続時間に対して特に敏感であるように構成され得る。例えば、１つ以上のモニタリング構造５５０−１、５５０−２、５５０−３、…５５０−ｎは、摩耗応力の異なる温度範囲および／または異なる持続時間のために適合され得る。
図５５Ａ〜５５Ｃに関して上述された実施形態において、横方向における原子拡散に基づいて、摩耗モニタとして機能する前に、初期化されるように構成される複数のモニタ構造を含む、摩耗モニタデバイスの様々な実施形態が記載される。特に、図５５Ａ〜５５Ｃに関して上述した実施形態において、複数のモニタ構造は、基板上に横方向に配置される。以下に、垂直方向に、例えば、垂直積層構成において配置された、複数のモニタ構造を含む摩耗モニタデバイスの実施形態を説明する。これらの実施形態によるモニタ構造は、よりコンパクトな横方向のフットプリントを占めることができ、モニタデバイス内で異なる深さにおける摩耗応力の指標を提供することができる。図５５Ａ〜５５Ｃに関して上述された実施形態と同様に、これらの実施形態は、同じもしくは異なる障壁、モニタ原子の同じもしくは異なるリザーバ、および／または同じもしくは異なるモニタ領域を有することができる。
図５６Ａは、実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイス５６０Ａの断面図を示す。図５５Ａ〜５５Ｃに関して上述された摩耗モニタデバイス５５０Ａ、５５０Ｂ、および５５０Ｃと同様に、実施形態に従って、摩耗モニタ５６０Ａは、横方向における原子拡散に基づいて、摩耗モニタとして機能する前に、初期化されるように構成される。しかしながら、図５５Ａ〜５５Ｃに関して上述した、モニタ構造が基板上に横方向に配置されているモニタデバイスとは異なり、モニタデバイス５６０Ａのモニタ構造は、モニタ領域５６４−１、５６４−２、．．．５６４−ｎの対応するものを含む基板６２上に形成された、複数のモニタ構造５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎを含む。モニタ領域５６４−１、５６４−２、．．．５６４−ｎは、障壁４６８によってリザーバ４６４から分離される。複数のモニタ領域５６２−１、５６２〜２、．．．５６２ｎの各々は、障壁４３８を横切るモニタ原子が、長さ方向に沿って半径方向においてリザーバ４３４から離れて拡散することができるように、細長く、半径方向に延び、ならびに、障壁４３８に接触する一端を有する。さらに、基板６４は、モニタ領域として機能し得るように、リザーバ４３４から分離される。例示される実施形態では、１つ以上のモニタリング領域５６４−１、５６４−２、．．．５６４−ｎは各々、１つ以上のモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎの各々においてモニタ原子が横方向外側に拡散するように、基板表面に平行な横方向に延びるストリップ、トラックまたはチャネル構造として形成される。
さらに図５６Ａを参照すると、図５５Ａ〜５５Ｃに関して例示される実施形態と同様に、いくつかの実施形態では、モニタデバイス５６０Ａは、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎのうちの異なるものが、異なる速度および／もしくは異なる濃度プロファイルで、モニタ原子を拡散するように構成されるように、同じもしくは異なる材料で形成されるモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎを有し、同じもしくは異なる寸法（例えば、長さ）を有し、またはそうでなければ、同じもしくは異なる構成を有する。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、他の実施形態では、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎは、実質的に同じであるように構成される。
図５６Ｂは、リザーバ４３４へのおよびモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎへの電気的接続を含む、図５６Ａの摩耗モニタデバイス５６０Ａと同様の摩耗モニタデバイス５６０Ｂの断面図を示す。例示されるように、摩耗モニタデバイス５６０Ａは、以下でより詳細に説明されるように、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎを、例えば、制御回路および／または検知回路を含む様々な回路に例えば、接点を介して電気的に接続する複数の電気接点５６６−１、５６６−２、…５６６−ｎを含む。加えて、以下でより詳細に説明されるように、リザーバ４３４および基板６４を様々な回路、例えば、制御回路および／または検知回路に電気的に接続する複数の電気接点５６６−（ｎ＋１）、５６６−（ｎ＋２）、．．．５６６−（ｎ＋ｍ）、例えば、ビア接点。
図５６Ｃの等価回路図５６０Ｃを参照すると、摩耗モニタデバイス５６０のモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎの領域の各々は、リザーバ４３４とモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎの各々との間の障壁４３８のそれぞれの領域に電気刺激を個別に印加することによって初期化される。それによって、障壁４３８のそれぞれの領域を局所的に変更する。モニタ原子は、初期化されると、摩耗応力に応答して、リザーバ４３４から、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎのうちのそれぞれの領域中に拡散し始める。したがって、構成されるように、異なる時間に障壁４３８のそれぞれの領域を変更させることによって、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎは、ユーザの選好に応じて異なる時間に有利に初期化され得る。モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎは、同じ材料で形成される、および／またはそうでなければ、内部のモニタ原子の速度と実質的に同じ速度の拡散を有するように構成される場合、複数のモニタリングの実行は、複数のモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎを使用して実行され得る。さらに、図５６Ａに例示されるように、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎを異なる長さを有するように構成することによって、異なるモニタの実行は、異なる持続時間にわたって実行され得る。加えて、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎが異なる材料で形成される、および／またはそうでなければ、内部のモニタ原子の速度と実質的に異なる速度の拡散を有するように構成される場合、異なる摩耗応力または摩耗応力のレベルのために最適化されたモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎの異なる領域は、ユーザの選好に応じて、異なる時間に初期化され得る。例えば、コア回路が経験である場合、異なる時間に実質的に異なるレベルの熱摩耗応力、比較的緩やかにモニタ原子を拡散させるように構成される、および／またはより長いモニト領域長さを有する、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎのうちの１つに隣接する障壁領域は、コア回路が、比較的高いレベルの熱応力（例えば、比較的高い温度および／または比較的長い持続時間）に曝露されるとき、変更され得る。一方、比較的迅速にモニタ原子を拡散させるように構成される、および／またはより短い長さを有する、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎのうちの１つに隣接する障壁領域は、コア回路が、比較的低いレベルの熱応力（例えば、比較的低い温度および／または比較的短い持続時間）に曝露されるとき、変更され得る。例として、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎのうちの異なる領域は、異なる組成を有する材料ＡｘＢｙで形成され得るか、またはそれを含むことができ、ここで、ＡおよびＢは、内部のモニタ原子の拡散速度を変更するために比例混合され得る要素である。例えば、いくつか挙げると、Ａは、Ｓｉなどの基板材料であってもよく、Ｂは、Ｇｅ、Ｃ、Ｓｎ、Ｏ、およびＮであってもよい。
初期化されて、摩耗応力に供された後、リザーバ４３４からモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎ中へのモニタ原子の拡散に起因する、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎの電気特性における変化は、複数の電気接点５６６−１、５６６−２、．．．５６６−ｎを介して、例えば、好適な検知回路を使用して、測定され得る。図５６Ｄは、図５６Ｂの摩耗モニタデバイス５６０Ｂに電気的に接続され、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎの電気特性における変化を測定するように構成された検知回路５６８を有する摩耗モニタデバイス５６０Ｄの１つの例示的な実施形態を示す。図示される例では、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎは、差動増幅器を有する差動測定回路５６８に電気的に接続され、するように構成される。モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎのうちの異なる領域から測定された電気特性における差に基づいて、異なるモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎによって受け取られる相対的な摩耗応力の決定が、決定され得る。差動測定回路５６８は、上述した摩耗デバイス５６０の様々な構成から生じる他のパラメータがある中で、モニタ原子、リザーバ組成、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎの組成、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎの形状および寸法、障壁材料および初期化時間のうちの変動するいずれか１つから生じ得る、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎのうちの任意の２つ以上の間の電気特性における差を測定することができる。その結果得られた電気測定値は、上述した電気特性のうちのいずれか１つ、例えば、抵抗率、漏れ電流、静電容量などを含み得る。
図５６Ｅを参照すると、いくつかの他の実施形態による、摩耗モニタデバイス５６０Ｅの断面図が、例示されている。摩耗モニタデバイス５６０Ｄは、摩耗モニタデバイス５６０Ｄが、リザーバに共通接続される、モニタ領域の２つのセット５６８−１、５６８−２を有することを除いて、図５６Ａ／５６Ｂに関して上述された摩耗モニタデバイス５６０Ａ／５６０Ｂと同様である。２つの側面上のモニタ領域は、障壁およびモニタ領域を含んで、同じになるように、または異なるように構成され得る。
図５６Ａ／５６Ｂの例示される実施形態では、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎのうちの１つは、共通障壁４３８を介して共通リザーバ４３４に接続されているが、実施形態はそのように限定されない。例えば、図示されていないが、他の実施形態では、別個および／もしくは専用の障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、．．．４３８−Ｂｎ、ならびに／または別個および／もしくは専用の専用リザーバ４３４−Ａ１、４３４−Ａ２、．．．、４３４−Ａｎは、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．、５６２−ｎのそれぞれに接続されてもよい。したがって、図５５Ｃの実施形態に関して上述したのと同様の様式で、同じまたは異なるモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎを有するように構成可能であることに加えて、モニタデバイス５６０は、異なるレベルの電気刺激に応答して変更される障壁４３８−Ｂ１、４３８−Ｂ２、．．．４３８−Ｂｎ、ならびに／または異なる種類および／もしくは濃度のモニタ原子、ならびに／またはモニタ原子が含有される異なるマトリックスもしくは媒体を有するリザーバ４３４−Ａ１、４３４−Ａ２、．．．４３４−Ａｎ、を有するようにさらに構成され得る。
したがって、図５６Ａ／５６Ｂの例示される実施形態では、上述の実施形態と同様の様式で、リザーバ、障壁、およびモニタ領域の異なる組み合わせは、摩耗応力の異なる種類、異なる大きさ、および／または異なる持続時間に対して特に敏感であるように構成され得る。
図４３〜５６Ｂに関して上述した摩耗モニタデバイスの制御された初期化または起動は、半導体包装の状況で埋め込まれ得る。ワイヤボンディング技術は、集積回路を外側ワードに相互接続するために広く使用されている。以下に、ワイヤボンディングの状況における摩耗モニタデバイスの制御された初期化の実装を説明する。
図５７は、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された、摩耗モニタデバイス５７０の図である。特に、摩耗モニタデバイス５７０は、基板６４を含み、これは、内部に統合された金属化レベルを含む、集積回路（ＩＣ）であり得る。摩耗モニタデバイス５７０は、基板６４内に形成された１つ以上のモニタ領域Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎを含む。１つ以上のモニタ領域Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎは、いくつかの実施形態では、ＩＣの半導体材料内にまたはその上に、例えば、直接その中に、または金属化レベルの上方に形成され得る。摩耗モニタデバイス５７０は、１つ以上のモニタ領域Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎ上に形成される１つ以上の障壁４３８と、リザーバ４３４として機能する１つ以上の障壁４３８上に形成される１つ以上のワイヤボンディング５７２とをさらに含む。１つ以上の障壁４３８は、上述した様々な実施形態と同様の様式で形成および構成され得る。加えて、１つ以上のワイヤボンディングは、上述した様々な実施形態と同様の様式で形成および構成されることができ、ワイヤボンディングとの適合性があり得る。モニタデバイス５７０において、有利なことに、ワイヤボンディング自体は、モニタ原子を含み、したがって、リザーバ４３４として機能する。例えば、金、銀、銅、および白金などの要素は、ＩＣへの電気的接続を提供することに加えて、モニタ原子としても機能することができる。
動作中、障壁４３８は、摩耗応力に応答して、モニタ領域Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎのそれぞれの領域中へのモニタ原子の拡散を初期化するために、上述のいずれかの様式で変更され得る。その後、モニタ原子が、モニタ領域Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎ上のそれぞれ中に拡散するとき、および／またはそれぞれのモニタ領域の原子がそれぞれのワイヤボンド中に拡散するとき、抵抗は、ワイヤボンド−障壁−モニタ領域にわたる。いかなる理論に束縛されることなく、抵抗の変化を引き起こし得る１つの機構は、時間の経過に伴う原子空孔の形成およびボイド化を引き起こす原子の相互拡散に関連する、Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌ効果として知られる現象から生じ得る。
図５８は、実施形態による、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された、摩耗モニタデバイス５８０の図である。摩耗モニタデバイス５８０は、リザーバ４３８として機能する１つ以上のワイヤボンディング５８２−１、５８２−２、…５８２−ｎのうちの異なるものが、異なるモニタ原子、いくつか挙げると、金、銀、銅、および白金などで形成されるか、またはそれを組み込むことを除いて、図５７に関して上述された摩耗モニタデバイス５７０と同様である。図５７に関して上述した摩耗モニタデバイス５７０のものと同様である、摩耗モニタデバイス５８０の他の特徴の説明は、本明細書では省略される。したがって、図５８の例示される実施形態では、上述の様々な実施形態と同様の様式で、リザーバ、障壁、およびモニタ領域の異なる組み合わせは、領域摩耗応力の異なる種類、異なる大きさ、および／または異なる持続時間に対して特に敏感であるように構成され得る。
図５９は、実施形態による、システム５９０、例えば、複数の摩耗モニタデバイス５９２Ａ、５９２Ｂ、５９２Ｃを含む、パッケージレベルまたはボードレベル統合システムの断面図を示し、ここで、各摩耗モニタデバイスは、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成されている。いくつかの実装では、システム５９０は、組み込みシステムであり、ここで、様々な構成要素が、製造プロセス中に、基板の層（例えば、ギャップＣＢ基板）に埋め込まれる。特に、断面図は、基板のそれぞれの層内に埋め込まれた複数の摩耗モニタデバイス５９２Ａ、５９２Ｂ、５９２Ｃを示し、ここで、モニタデバイスは、とりわけ、システム５９０内の異なる層（または特定の構成要素の次の／近くの）の温度変動および／またはミッションプロファイルをモニタするように構成され得る。
さらに図５９を参照すると、摩耗モニタデバイス５９２Ａ、５９２Ｂ、５９２Ｃは、異なる摩耗応力をモニタするため、および／または異なる時間における摩耗応力をモニタするため、異なって構成される様々な機能を有する。例示されるように、摩耗モニタデバイスは、実施形態に従って、他の受動の／別個の構成要素および／またはコア回路が保護されるように含まれるマイクロプロセッサと共に、パッケージレベル統合システムの一部として埋め込まれるか、または組み込まれ得る。加えて、摩耗モニタデバイスは、実施形態に従って、協調するＡＳＩＣに、また、修正可能なリンク（例えば、飛ばされるか、または電気的に修正され得るヒューズ）にも、接続またはリンクされ得る。
上述の様々な実施形態において、障壁が、摩耗モニタリングを初期化するための電気刺激によって変更され得る、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成された摩耗モニタデバイスが記載されている。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、他の実施形態では、障壁は、光学エネルギーを使用して変更され得る。図６０Ａは、システム６００、例えば、摩耗モニタデバイス６０２Ａ、６０２Ｂを含む、パッケージレベルまたはボードレベル統合システムの断面図を示し、ここで、各摩耗モニタデバイスが摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成されている。障壁が存在するとき、障壁は、障壁を変更させるジュール加熱によって、続いて熱を生成し得る電気刺激、例えば、電圧パルスまたは電流パルスに応答して摩耗モニタデバイス６００Ａ、６００Ｂを初期化するように変更されるように構成される、図４３〜５９に関して上述した摩耗モニタデバイスとは異なり、摩耗モニタデバイス６００Ａ、６００Ｂでは、障壁は、光学エネルギーに応答して修正されるように構成される。システム６００は、上述したように、様々な他の構成要素、例えば、受動／能動構成要素ＡＳＩＣなどを含み得る。
パッケージレベルシステム５９０の例示されるパッケージは、有機ラミネートベースのパッケージである。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、パッケージは、包装された構成要素を保護するためにセラミック材料に基づいてもよい。例示されるように、様々な構成要素は、包装材料、例えば、例えば、水分などに対して様々な構成要素を保護する有機ラミネート材料によって埋め込まれるか、または覆われてもよい。摩耗モニタにおける障壁の光学アクセスを可能にするために、いくつかの実施形態では、光学的に透明な開口またはアパーチャが、不動態化層、および／または、存在する場合、摩耗デバイス６００Ａ、６００Ｂの絶縁パッケージを通して形成され得る。開口またはアパーチャは、いくつかの実施形態では、キャップで密封され得る。いくつかの他の実施形態では、開口は、光学的に活性なキャップを含むことができ、これは、レンズ、フィルタ、または他の光学構成要素として構成され得る。存在する場合、フィルタは、所望の波長を選択的に通過させ、存在する場合、レンズは、温度の局所的な上昇を引き起こすための光の増加した強度を提供するために光に焦点を合わせることができる。いくつかの他の実施形態では、キャップはまた、摩耗センサを保護するように構成され得る。
さらに図６０Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、障壁は、光によって直接変更される材料で形成される。例えば、障壁は、有機材料、例えば、光子によって変更することができるポリマー材料で形成され得る。他の実施形態では、障壁は、光によって間接的に変更される、例えば、光によって生成される熱によって変更される、材料で形成される。障壁を変更することができる光学エネルギー源は、できる、光源、例えば、レーザー、発光ダイオード、ランプなどを含む、視認可能な赤外線源、紫外線源、およびＸ線源。
図６０Ｂは、システム、例えば、複数の摩耗モニタデバイス６１２Ａ、６１２Ｂが内部に統合されて含むパッケージレベルまたはボードレベル統合システム６１０の断面図を示し、ここで、各摩耗モニタデバイスは、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成されている。システム６１０は、図６０に関して上述したシステム６００と同様の事前加工されたシステムであってもよく、これは、摩耗モニタ６０２Ａ、６０２Ｂを含む。システム６１０は、別のシステム６１４上に搭載されるように構成され得る。実施形態において、システム６１４は、ＡＳＩＣにおいて実装され得る、摩耗モニタデバイス６１２Ａ、６１２Ｂを制御および感知するための、様々な制御回路および検知回路を含むことができる。有利なことに、例示される構成は、様々な埋め込まれた摩耗モニタデバイス６１２Ａ、６１２Ｂを含むカスタマイズされた／事前加工されたシステム６１０が、システム６１０の様々な活動を協調させるシステム６１４に連結されることを可能にする。
相互拡散に基づく摩耗指標を有する摩耗モニタデバイス
上述の摩耗モニタデバイスの様々な実施形態において、コア回路の摩耗の指標は、リザーバからモニタリング領域中へのモニタ原子の原子拡散の効果と関連する電気特性を測定することに基づく。例えば、リザーバは、基板の表面上に形成されるモニタ原子を含有する層であってもよい。モニタリング領域は、モニタリング原子のための拡散媒体として機能する基板材料の体積であってもよい。
材料のいくつかの組み合わせについて、第１の材料は、第２の材料と接触し、第１の材料の原子は、第２の材料中に拡散する一方で、第２の材料の原子は、第１の材料中に拡散する。この現象は、相互拡散と称される。本明細書に記載の様々な実施形態によれば、モニタリング領域およびモニタ原子のリザーバは、モニタ原子およびモニタリング領域の原子が摩耗応力に応答して相互拡散するように構成される。これらの実施形態において、結果として生じるリザーバ内の組成変化は、摩耗応力の測定可能な電気シグネチャを生じさせることができる。したがって、以下に記載される実施形態において、上述の実施形態とは異なり、リザーバは、モニタ領域として見なされることができ、基板は、拡散物質または原子の源として見なされることができる。
図６１は、実施形態に従って、摩耗モニタデバイスが、原子の相互拡散に基づいてコア回路の摩耗の指標が利用され得るように、どのように構成され得るかを示す。図６１は、図４７に関して上述された摩耗モニタデバイス４７０を示し、これは、摩耗モニタデバイス内で一部に集中するモニタ原子の原子拡散に基づいて、コア回路の摩耗の指標を記録するように構成されている。上述のように、摩耗モニタデバイス４７０は、基板の表面上に配設された、モニタ原子の１つ以上のリザーバ（すなわち、第１および／または第２の電極４０８ａ、４０８ｂ）と、基板４５０内に形成されたモニタ領域（例えば、第２の重ドープ領域４５４ｂの下に形成された空乏領域）と、有する。例えば、図４２Ａに関して上述したように、コア回路の摩耗を定量化するための１つのアプローチは、異なる時間において摩耗応力に曝露された後、漏れ電流、例えば、ＰＮ接合部にわたる逆バイアス漏れ電流を測定することである。したがって、図４２Ａにおいて例示されるように、摩耗応力、例えば、熱応力の増大に伴う漏れ電流の増加は、コア回路の摩耗を定量化するために使用され得る。
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像６１４は、摩耗を定量化する別のアプローチを示す。ＳＥＭ画像６１４は、図４２Ａに関連して例示された実験データを生成するために使用される摩耗応力を受けた後の、金で形成されたリザーバとして機能する第１の電極４０８ａの代表的な画像である。ＳＥＭ画像６１４に例示されるように、２００℃で１〜９日間熱摩耗応力に供された後、金のリザーバとして機能する第１の電極４０８ａ上の二酸化シリコンの形成は、相互拡散が起こったことを示す。すなわち、シリコン基板内の金電極からＰＮ接合部中への金の拡散は、逆バイアス電流の増加を引き起こすが、基板から金電極中へのシリコンの拡散は、金電極の表面に達したシリコン原子の酸化に金する酸化シリコンの形成をもたらす。
図６２Ａは、実施形態による、原子の相互拡散に基づく電気シグネチャを利用することができるように構成された摩耗モニタデバイス６２０の断面図を示す。摩耗モニタデバイス６２０は、基板６４上に形成された、１つ以上の電極、例えば、第１の基準電極６２２および第２の基準電極６２４、ならびにリザーバ４３４を有する。第１および第２の基準電極６２２、６２４の各々は、永久的拡散障壁６２６によって基板６４から分離される。いくつかの実施形態では、第１および第２の基準電極６２２、６２４、ならびにリザーバ４３４は、最初は、モニタ原子を含む同じ組成および／または寸法を有する。さらに、いくつかの実施形態では、第１の基準電極６２２および第２の基準電極６２４の間の間隔と、第２の基準電極６２４およびリザーバ４３４の間の間隔とは、最初は、同じ寸法を有する。
動作集、図６１に関して上述したように、リザーバ４３４および基板６４は、摩耗応力、例えば、熱応力下で、モニタ原子が基板中に拡散し、かつ、基板６４の原子がリザーバ４３４中に拡散するように、リザーバ４３４内のモニタ原子および基板６４の原子が、相互拡散するように、組成を有する。対照的に、永久的拡散障壁６２６の存在は、基板６４から第１および第２の基準電極６２２、６２４内外への拡散を防止する。基板６４およびリザーバ４３４の間の相互拡散は、リザーバ４３４の化学組成における変化をもたらし、これは続いて、リザーバ４３４の電気特性における変化をもたらし、一方で、第１の基準電極６２２、６２４の化学組成および電気特性は、比較的変化しないままとなる。変化し得るリザーバ４３４の電気特性は、リザーバ４３４の低効率、およびリザーバ４３４と他の導電構造、例えば、第２の基準電極６２４との間の静電容量を含む。
１つの例示的な実施例として、リザーバ４３４が金で形成され、基板６４がシリコンで形成されるとき、金は、基板６４中に拡散し、一方、シリコンは、リザーバ４３４中に拡散する。図６１に関して上述されたように、発明者らは、相互拡散は、リザーバ４３４における構造的変化、リザーバ４３４、および／またはリザーバ４３４上の酸化シリコン６２８の形成をもたらすことを発見した。その構造的変化もやはり、検知回路を使用して電気的に測定され得るリザーバ４３４の電気特性において変化をもたらす。
図６２Ｂは、実施形態による、原子の相互拡散に起因するリザーバ４２４への構造変更と関連する電気シグネチャを検出するように構成された検知回路６２９に電気的に接続された、図６２Ａに例示される摩耗モニタデバイス６２０の拡大図を示す。検知回路６２９を使用して、摩耗モニタデバイス６２０上で測定され得るコア回路の摩耗の１つの例示的な電気シグネチャは、リザーバ４２４の電気抵抗率である。リザーバ４２４の電気抵抗率は、上述したように、リザーバ４２４におけるシリコン原子の存在、および／またはリザーバ４２４上の酸化シリコンの形成に起因して増加し得る。摩耗モニタデバイス６２０上で測定され得るコア回路の電気シグネチャの別の例は、第１のプレートとして機能するリザーバ４３４と、コンデンサの第２のプレートとして機能する別の導電構造との間の静電容量である。例えば、第２の基準電極６２４は、コンデンサの第２のプレートとして機能することができ、その静電容量値は、摩耗応力、例えば、熱摩耗応力への曝露と共に変化し得る。第２の基準電極６２４とリザーバ４３４との間のギャップ中の酸化シリコン６２８の厚さが増大するにつれて、静電容量が変化し、例えば、増加し、その変化は、コア回路が曝露された総摩耗応力と定量的に相関することができる。さらに、第１の基準電極６２２が含まれる実施形態において、第１および第２の基準電極６２２および６２４の間の静電容量は、第２の基準電極６２４リザーバ４３４の間の静電容量における変化に対して変化しないか、または著しく少なく変化する基準静電容量として機能することができる。有利なことに、リザーバ４３４中への基板原子の拡散に起因する電気特性における変化のため、摩耗モニタデバイス６２４は、基板６４内に形成されたＰＮ接合部のような半導体デバイス構造に依存しない。
図６３Ａ〜６３Ｄは、実施形態による、コア回路の摩耗を測定するために原子の相互拡散に基づく電気シグネチャを利用され得るように構成された摩耗モニタデバイス６３０の断面図を示す。耐摩耗モニタデバイス６３０は、図５６Ａ〜５６Ｄに関して上述した摩耗モニタデバイス５６０と同様に構成されており、ここで、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎは、リザーバ４３４中に拡散するバルク基板６４の基板原子に起因する、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎの電気特性、例えば、リザーバ４３４と関連する電気抵抗および／または静電容量は、個別に測定され得るように構成された図５６Ｄに関して上述された検知回路５６８に電気的に接続されてもよい。
摩耗モニタデバイス６３０において、図５６Ａ〜５６Ｄに関して上述されたモニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎに加えてまたはその代わりに、モニタデバイス６３０は、リザーバ４３４に接続され、かつ、リザーバ４３４中への基板６４の原子の拡散によって引き起こされる、抵抗（図６３Ｂ）および静電容量（図６３Ｃ／６３Ｄ）を含む、リザーバ４３４の電気特性における変化を測定するように構成される。したがって、図５６Ａ〜５６Ｄに関して上述された検知回路５６８とは異なり、図６３Ａ〜６３Ｄに関して例示される検知回路６３２ａ〜６３２ｃは、モニタ領域５６２−１、５６２−２、．．．５６２−ｎへの電気的接続の有無にかかわらず、リザーバ４３４の電気特性における変化を測定することができ、それによって、コア回路の摩耗の独立した指標を提供する。
加えて、図６３Ａ〜６３Ｃに例示されるように、リザーバ４３４の電気特性における変化、例えば、リザーバ４３４と関連する電気抵抗および／または静電容量は、リザーバ４３４中へ拡散するバルク基板６４の基板原子に起因することができる。追加的に、または代替的に、リザーバ４３４の電気特性の変化は、リザーバ４３４の表面上に形成されたシード材料から原子を拡散させることによって引き起こされ得る。
図６３Ｂは、リザーバ４３４中への基板６４の原子の拡散と関連する電気抵抗における変化を測定するように構成された検知回路６３２ｂに電気的に接続された摩耗モニタデバイス６３０を示す。図６３Ｂに関して例示される検知回路は、図５６Ａ〜５６Ｄに関して上述されたように、例えば金で形成されたリザーバ４３４中への、基板、例えば、シリコンの原子の拡散と関連する、またはリザーバ４３４上の酸化シリコンの成長と関連する、抵抗変化を検出するための、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）６３５および電流源６３４を含む電圧変化検出回路を含む。
図６３Ｃは、リザーバ４３４の表面上の酸化物の形成と関連する静電容量の変化を測定するように構成された検知回路６３４に電気的に接続された摩耗モニタデバイス６３０を示す。図６３Ｃに関して例示される検知回路６３４は、例えば、リザーバ４３４への直接接続の代わりに、ギャップ電極６３６およびリザーバ４３４の間に、初期に事前定義されたギャップ間隔を有するギャップ電極６３６を含む。図６３Ｄを参照すると、図５６Ａ〜５６Ｄに関して上述されたように、摩耗応力への曝露の増加に伴ってリザーバ表面上の酸化物が厚くなるにつれて、酸化物の厚さの増加に比例してギャップ間隔が減少し続ける。ギャップ電極６３６とリザーバ４３４との間の静電容量における結果として生じる変化は、摩耗応力と相関させることができる。
時間分解モニタリングのために構成された摩耗モニタデバイス
上記の様々な実施形態に関して記載されるように、漏れ電流などの電気特性、抵抗、またはモニタ領域の静電容量は、モニタ領域の特定の位置におけるモニタ原子の濃度を取得するために使用され得る。モニタ原子の濃度もやはり、摩耗応力の統合された履歴を構築するために使用され得る拡散プロファイルを示すことができる。加えて、図６４Ａに例示されるように、摩耗応力に供される前後前後のモニタ原子の初期および最終の濃度プロファイル６４０に基づいて、摩耗応力、例えば一定の熱摩耗応力の累積履歴に関する情報が、温度時間プロット６４２によって例示されるように得ることができる。しかしながら、図６４Ｂに関して例示されるように、様々な用途において、コア回路は、例えば、温度−時間プロット６４６および結果として生じる濃度プロファイル６４４によって例示されるように、経時的に変化するコア回路上の温度応力などの、経時的な時間にわたってその大きさが変動する摩耗応力に供されてもよい。これらの用途において、時間可変摩耗応力の指標が記録され得るように、摩耗モニタデバイスを構成することが望ましい場合がある。
この必要性および他の必要性に対処するために、様々な実施形態に従って、摩耗モニタデバイスは、摩耗応力、例えば、熱摩耗応力に応答して、モニタ領域における拡散プロファイルを記録した後、摩耗モニタデバイスが、横方向においてモニタ領域に電界を印加するように構成されるように、構成される。モニタ領域に拡散したモニタ原子は、内部に拡散したモニタ原子を有するモニタ領域に電界が印加されるとき、電界が、モニタ原子をモニタ領域横方向中にさらに拡散させるように、電荷状態を有する。すなわち、摩耗応力に起因する拡散プロファイルは、コンベヤベルトに類似の様式で横方向に平行移動される。
平均温度を測定することは、デバイスの作用寿命を推定するのに有用であるが、平均化プロセスは、その性質上、温度プロファイルのピークおよびトラフが記録されないことを意味する。より高い温度の期間にほとんどの損傷を受けるので、より細かくデバイスの温度履歴を認識することが有益である。図６５は、時間の関数として変動温度プロファイルを示す概略グラフ６５０である。グラフから分かるように、本実施例における温度は、１８０℃〜約３０℃までのピーク間で変動し、経時平均は、約１１０℃となり、異なる時間ｔ１、ｔ２およびｔ３におけるモニタ領域内のモニタ原子の濃度プロファイル６５２のスナップショットをもたらす。
しかしながら、線１２によって表されるように移動平均を形成し得る場合、それは、デバイスによって経験される極端な温度によって引き起こされる損傷をより正確に記録することが可能であろう。これにより、損傷させる高温の影響をより正確に評価することが可能になるであろう。
時間の関数としての温度をアクティブ回路によってメモリに記録することは、給電されたデバイスでは当然ながら実行可能であるだろうが、メモリまたは処理能力は、長期間にわたるデバイスについては厄介なものであり得る。しかしながら、デバイスが無給電状態または非常に低い電力状態である場合、そのような記録プロセスは機能しない。
発明者は、拡散プロセスが、時間の関数としての温度の変動がデバイスにおいて記録され得るように、本明細書では時に記録構造と称される、好適なモニタ構造と連結され得ることを理解した。さらに、そのような記録は、デバイスが無給電状態であるか、または非電力消費状態でも達成され得る。
本明細書に記載されるように、モニタ原子の拡散プロファイルによって表される構成要素の物理的状態を記録することは、本明細書で摩耗モニタセンサとも称される摩耗モニタデバイスおよび／またはモニタデバイス構造が給電されているかどうかにかかわらず起こり得る。しかしながら、状態を電気的に測定することは、電力が摩耗モニタデバイスおよび／またはモニタ構造に供給された状態で、実行され得る。このような状況において、拡散プロファイルと関連する物理的状態を記録することは、例えば、メモリデバイスにおいて、デジタル情報を記録することで区別される。
図６６Ａ〜６６Ｃは、本開示の第１の実施形態に従う、温度摩耗モニタデバイス６６０の断面図である。温度摩耗モニタデバイスは、本実施例では、第１の領域１０２０の上側表面１０２４と接触する少量の金１０２２である、好適な材料に曝露される第１の領域１０２０を備える。第１の領域１０２０は、拡散速度を時間の関数として取り込む拡散履歴メモリとして作用する第２の領域１０３０と接触する。使用中、第２の領域１０３０は、ＰＮ接合部にわたって生じる内部電位差のように、半導体材料内のグレードされた不純物濃度に起因する、外部印加電界または固有電界であり得る電界に供される。図６６Ａ／６６Ｂに示される概念的な配置は、多くの異なる方法で具体化され得る。領域１０２０および１０３０は、半導体内の領域である。使用中、本明細書で時に溶質と称されるモニタ原子は、ドナーまたはアクセプター不純物のいずれかになるために、半導体と相互作用する。モニタ原子／不純物としての金の場合、金は、電子を受け入れることによって効果的に荷電され（より低いエネルギー状態）、金原子の周りのこの電子クラウドは、電界によって引き込まれる。電子クラウドは、次いで、金原子を引き込む。これは、両極性動作として知られている。
図６７は、図６６Ａの構造の変形例を示し、ここで、金１０２２の金属ブロックが、二酸化シリコン１０３２の絶縁層上に蒸着され、第１の領域１０２０が、ブロック１０２２と、絶縁層１０３２上に蒸着されて第２の領域としても作用する半導体材料１０３０の層との間の垂直界面によって形成されている。層１０３２は、基板１０４０の上方に形成され得る。このテーマのさらなる変形が可能である。
時間に関する温度の変動を記録するために、領域１０２０にシリコンが入っている材料は、その領域から離れて、メモリ構造に記憶される。領域３０は、材料を記憶するためのメモリを提供するが、拡散された金（本実施例では）を領域１０２０から移動させることは、別の機構によって提供される。これは、金が、既知の制御可能な速度で第２の領域１０３０に沿ってドリフトするように、デバイスにわたって電位を印加することによって行うことができる。電位は、図６８に示される外部ソースによって提供され得る。ここで、電圧源１０５０は、電極１０５２および１０５４に接続される。電極１０５２は、示されるように、金１０２２に近接しているか、または接触していてもよい。電極１０５４は、第２の領域１０３０が電極１０５２と１０５４との間に介在するように、第１の電極１０５２から遠隔に配置される。例えば、二酸化シリコンが充填されたトレンチ１０６０の形態である絶縁障壁は、メモリの動作中に電圧源１０５０から引き込まれるエネルギーが実質的にないように、電極１０５２および１０５４の間の電流の流れを阻害する役割を果たし得る。したがって、電圧源１０５０は、コンデンサが、温度摩耗モニタデバイスと関連する回路の作用寿命にわたって好適な電圧を保持することができるという見込みで、温度摩耗モニタデバイスの製造および／または包装中に初期電荷を与えられるコンデンサによって実装されてもよい。電極１０５２および１０５４間の分離および／または電圧源１０５０によって提供される電圧は、半導体１０３０の第２の部分に沿って作用するＥフィールド強度を作用し、結果として、内部の金のドリフト速度、ひいては要素１０３０がメモリとして作用する時間、ならびにその範囲内で温度が解消され得る粒状度または分解能を変化させる。
不純物（例えば、金）のドリフト速度は、Ｅフィールドに比例し、ひいては、Ｖに比例する。
結果として、領域１０３０に沿った任意の距離Ｌは、Ｌ＝０での埋め込みからの期間ｔＬに関連し、
図６９は、本開示の別の実施形態を構成する温度摩耗モニタデバイスの断面図である。本実施形態における温度摩耗モニタデバイスは、外部電圧源なしで動作することができる。これまでのように、Ｅ−フィールドは、金（または他の非貴金属モニタ原子）などの拡散した貴金属を、第１の領域１０２０から離して、かつ、既知の予測可能である速度で移動させるために印加される。本実施形態において、Ｅ−フィールドは、第２の部分１０３０内のグレードされたドーピングプロファイルによって提供される。第２の部分１０３０は、ドープされて、延長ＰＮ接合部を形成し得るか、または第２の部分１０３０を、単一極性のグレードされたプロファイル、すなわち、Ｎ型またはＰ型でドープしてもよい。ドーパントのうちの１つのドーピング濃度は、図６９に概略的に示されている。例えば、リンなどのドナー不純物の濃度は、第１の領域１０２０の近くでは比較的低い場合があり、第１の領域１０２０の遠位にある１０７０と表記された体積において比較的高い。対照的に、ホウ素などのアクセプター不純物の濃度は、領域１０７０において比較的低い場合があり、第１の領域１０２０に近接する領域１０７２において比較的高い。図７０Ａは、２０ミクロンの距離にわたって、階段状に上昇する、ｃｍ３あたり約１０１３個の不純物からｃｍ３あたり約１０１８個の不純物のドーパント濃度を有する第１の領域１０２０に最も近い限度を有するドーピング濃度を示すグラフである。そのようなドーピングプロファイルは、第２の領域の表面をマスキングし、次いで、アパーチャの濃度が、マスクが一端で主開いているかまたは完全に開いており、主に閉じている、すなわち、他端でわずかなアパーチャを有し、アパーチャ密度がその間で変動するように変動するマスクにおいて、エッチング開口部をエッチングすることによって、実現することができる。マスクが除去されると、基板を熱処理してリンを埋め込み部位から拡散させ、線形グレードされたプロファイルの段階的近似を作成することができる。これもやはり、図７０Ｂに示すような電気燃料分布と、図７０Ｃに示すような距離の関数として変動するデバイスの両端の電圧電位とを生じる。
図７１は、第２の領域１０３０に入ったモニタ原子の「ブロブ」が、静電分野の影響下で、どのように時間の関数として第２の領域に沿って進行するかを概略的に示す。拡散された金の濃度は、例えば、１ヶ月間隔、６ヶ月間隔、または１年間隔など適宜異なる時点で撮影された複数のスナップショットＴ１〜Ｔ５にわたって示されているが、第２の部分１０３０に沿って作用する電圧勾配に応じて、より長い期間または短い期間も可能である。金が、第１の部分１０２０によって第２の部分１０３０に拡散しているので、金は、様々な密度プロファイルを有する。図の簡略化のために、金の密度は、図中の陰影のある領域によって表されている。面積１０８０は、第１の高濃度の一部分を表し、面積１０８２は、第２の（低減された）濃度領域を表し、領域１０８３は、さらに低減された濃度の第３の領域を表す。Ｅフィールドは、材料のこの領域をメモリ部分１０３０に沿って、かつ、図中では、左から右から右に、移動させるように作用する。一方、金はさらに、いくらかの拡散に供される。したがって、ブロック１０８０、１０８２、および１０８３は、Ｅフィールドの作用に起因して左から右に平行移動し、拡散の作用に起因して拡大する。したがって、Ｔ２領域１０８０は、新しい位置に平行移動し、低減された濃度１０８２の領域およびさらに低減された濃度１０８３の領域によっていずれかの側面に今や結合される。
時間Ｔ３に達するまでに、領域８０は、第１の濃度の金がもはや存在しない程度に拡散している。濃度は、低減された濃度１０８３ｃおよび第４の（さらに低減された）濃度１０８５の領域によって境界が定められた１０８２によって表される範囲に低下している。時間Ｔ４に達するまでには、領域１０８２によって表される第２レベルの濃度はもはや存在せず、代わりに、我々は、第４の濃度１０８５の領域と第４の濃度１０８７および第６濃度１０８８の領域とによって境界が定められた領域１０８３を有する。
時間Ｔ５に達するまでに、不純物のブロックは拡散してより広範になり、今や第４、第５および第６の濃度の領域からなる。したがって、モニタ原子は、Ｅフィールドの関数として左から右にドリフトすること、また、拡散の結果としても拡大することに留意されたい。図７２は、図７１と同じ情報をグラフ表現するが、今や、Ｔ０で行われた接触領域について、時間Ｔ１からＴ６に進む公称中心位置に対する拡散プロファイルを示す。
前述のように、有効初期濃度は、温度の関数であり、一定期間後の摩耗モニタデバイスに記録されている実際のドーピング濃度は、金および半導体の間の界面における温度における変化の結果としての様々なモニタ原子濃度のコンボリューションとみなすことができる。
現行の温度を、摩耗モニタデバイスおよびメモリの両方として作用する半導体の一部分内の空間的に変調されたドーピングプロファイルに符号化するための機構を首尾よく実証したが、メモリからデータをアドレス指定して読み出すことができる必要がある。
図７３は、複数の電極１１００、１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８が、半導体の第２の領域３０内で離間した様式で形成される、配列読み取りデバイスの第１の実施形態の断面図である。５つの電極のみ示されているが、より少ないまたはより多くの電極が提供されてもよい。ショットキー障壁を設定することを回避し、各１つの電極１１００〜１１０８は、小さい高ドープ領域１１００ａ〜１１０８ａ上に蒸着され得る。
電極の各々は、隣接する電極間の漏れ電流が測定され得るか、電極１１００〜１１０８のうちの選択されたいずれか１つと、層１０３０の下または層１０３０の片側に形成されたさらなる電極または半導体との間の漏れ電流も決定することができるように、マルチプレクサによって選択されてもよく、または電極の各対は、マルチプレクサによって選択されて、測定回路と接触してもよい。
図７４は、平面図における図７３の配置を示す。
図７５は、図７３のラインＡ−Ａ’に沿ってデバイスを通る断面であり、ここで、第２の領域１０３０は、Ｎ型領域となるようにドープされている（デバイスが無給電モードで動作可能であることが意図されているかどうかに応じて、勾配ドープされたドーピングプロファイルの有無にかかわらず）。第２の領域１０３０は、細長いフィンガーとして、Ｐ型ウェル１１１０内に形成される。接点１１１２は、高度にドープ領域１１１３によってＰ型材料１１１０に作製される。半導体の表面は、接点１１１２、１１１６が形成されている箇所を除いて、パッシベーション層１１１５、例えば二酸化シリコンによって覆われている。ウェルは、逆バイアスされたＰＮ接合部を形成するように、シリコンオン絶縁体製造技術において知られているように、絶縁壁によって図７５に示されるように、さらなるドープ領域によって境界が定められてもよい（所望される場合）。
更なる実施形態では、図７６に示されるように、複数のトランジスタが第２の領域１０３０の長さに沿って空間的に形成され得る。この図では、トランジスタ１１２０、１１２２、１１２４、１１２６、１１２８、１１３０、１１３２、１１３４、１１３６、１１３８、１１４０、１１４２、１１４４、１１４６、１１４８、１１５０、１１５２、１１５４、１１５６、および１１５８は、それらのアクティブ領域のうちの１つ、例えばそれらのドレインが、領域半導体１０３０の一方の側に位置づけられ、それらの領域の別の領域、例えばそれらのソースは、領域１０３０の他方の側に位置づけられるように、形成される。摩耗モニタデバイスは、所望の時間分解能および使用期間に応じて様々なサイズで形成され得る。限定されるものではないが、摩耗モニタデバイスは、数十ミクロンから数百ミクロンの範囲の長さであり得る。
トランジスタ構造は、ＪＦＥＴもしくはＭＯＳＦＥＴ、または類似のものであってもよい。ＪＦＥＴ構造において、ドレインーソースドーピングは、第２の領域１０３０の下に延在してもよく、第２の領域は、ゲートとして作用し得る。ＭＯＳＦＥＴ構造において、第２の領域は、ドレイン領域およびソース領域の間のチャネルを形成するように、ドレイン領域およびソース領域と同じ半導体型のものであってもよく、さらなる電極が、第２の領域１０３０の上に提供され得る。他の実施形態では、第２の領域１０３０の周りのかつ第２の領域１０３０を含む半導体は、例えば、領域１０３０が、細長い基部を形成し得るバイポーラ接合トランジスタを形成するようにドープされ得る。領域１０３０の選択された部分に隣接して、または選択された部分内にエミッタ領域を設け、エミッタ領域に接点が作製され得る。領域１０３０に隣接する更なる埋め込みは、コレクタとして機能することができる。コレクタ領域は、バイポーラ接合トランジスタによって共有されてもよく、各トランジスタはそれ自体のコレクタで加工されてもよい。
読み取り中、基準電圧は、第２の領域１０３０に印加され、次いでトランジスタ１１２０〜１１５８のパラメータは、決定され得る。パラメータは、それぞれのトランジスタの各々のチャネル部分におけるドーピングの関数である。パラメータには、ピンチオフ電圧、漏電、ゲイン、周波数応答などが含まれる。
これらのパラメータの各々は、読み取ることができるが、データがデバイス上で読み取られる時点でのダイの温度の関数として実際にも可変である。したがって、モニタ原子の拡散によって影響を受けることができないように位置付けられるさらなる読み取り構造を含むことが望ましい。これは、ドリフトフィールドが、モニタ原子が基準デバイスの動作を妨げることを阻害する領域内で、モニタ原子の拡散がデバイスの作用寿命内に起こりにくい距離で、第２の領域１０３０の遠位端に読み取り構造を配置することによって、または半導体の隔離領域に基準デバイスを加工することによって、実現され得る。
ドーパント材料、例えば、金の半導体に拡散するための機能を変更することが所望される場合がある。例えば、温度が、第１の閾値を下回り、結果が大きく関連する場合、または温度が、第２の温度範囲よりも高く、金があまりにも速く拡散する場合、拡散を阻害することが望ましい場合があるそのような状況下で、さらなる異なるドーピング材料を有するさらなる摩耗モニタデバイスを使用することが所望され得る。
例えば、高温範囲にわたって測定することが所望される場合、より高い活性化エネルギーを有する不純物またはモニタ原子を選択すべきである。銀は、より高温での使用に好適となる、１．６ｅＶのシリコンの活性化エネルギーを有する。
何百度もの温度でモニタするためには、２．２ｅＶの活性化エネルギーを有するプラチナ、または３ｅＶの活性化エネルギーを有するアルミニウムが好適であり得る。
より低い温度では、１．０ｅＶの活性化エネルギーを有する銅、または０．７６ｅＶの活性化エネルギーを有するナトリウムを使用してもよい。このリストは、包括的ではなく、単に例として与えられる。
図７７は、ドーパント１０２２がカンチレバー１２００に保持される摩耗モニタデバイスの配置を概略的に示す。カンチレバーは、熱膨張の異なる係数を有する異種材料の隣接層によって形成されてもよい。したがって、カンチレバーは、バイメタルストリップのように作用し、温まると一方向に曲がり、冷却されると別の方向に曲がる傾向がある。屈曲の方向の選択は、設計者の裁量にある。したがって、ドーパント材料１０２２は、第１の温度範囲中では、温度摩耗モニタデバイスから離れて保持されてもよく、第２の温度範囲にわたって、温度摩耗モニタデバイスの第１の領域１０２０と接触するように強制されてもよい。最上層１２０２が最下層１２０４よりも大きく膨張する場合には、温度が上昇すると接触するか、最下層１２０４が熱膨張の温度係数が層１２０２よりも高い場合には、温度が上昇するにつれて持ち上げられてもよい。これは、配列に沿ってドーパントを一掃する電界に関連して、温度感知へのより多くのバイナリアプローチを可能にし、比較的高い濃度のドーパントは、ストリップがドーパント１０２２を表面に接触させて支持することを示し、比較的低い濃度は、ドーパント１０２２が、半導体の表面との接触から引き離されたことを示している。
場合によっては、特定のイベントの後、例えば、第１の電力起動後に、記録を阻害するか、または温度を記録することを可能にすることが所望され得る。そのような配置は、図７７に示される構造と同様の構造を使用して実現され得る。ここで、ドーパント１２２２は、電気的に制御されたマイクロ電子機械システム上の可動カンチレバー上に担持される。そのようなＭＥＭＳシステム、例えば、スイッチは、当業者に周知である。
例えば、図７８に示される配置において、カンチレバーは、第１の領域１０２０における半導体材料を有するドーパント１０２２と接触するように自然付勢され得る。しかしながら、この接触は、図７８に示されるシーソー配置の対向する側面上の制御電極１２１０に電圧を印加することによって破壊され、それによって、ドーパント１０２２を第１の領域１０２０との接触から持ち上げることができる。したがって、制御接触部１２１０上の好適な電圧の提供は、ドーパント１０２２を第１の領域１０２０との接触から引き上げるために使用されてもよい。同様に、制御電極が電極１２１０に対向するスイッチの反対側に形成される場合、電極は、ドーパントを引っ張って領域１０２０に接触させるように使用され得る。
モニタ原子材料１０２２のブロックを半導体に接触させるおよび／または半導体と接触しないように移動させる他の機構も使用され得る。例えば、一方の側で流体にさらされた膜を横切って作用する機械力は、過圧または過小事象を記録するための摩耗モニタデバイスを形成するために使用され得る。さらに、接触領域が圧力によって変動するように接触フットプリントがプロファイルされる場合、過圧事象の大きさは、モニタ原子濃度内で符号化され得る。
図７９は、本明細書においてこれまでに説明された、温度摩耗モニタデバイスでダイ上に埋め込まれ得るデータ検索回路を概略的に示す。マルチプレクサ１２５０は、読み取り構造と相互作用する複数の入力１２６０．１〜１２６０．ｎのうちの１つを選択するために提供される。したがって、読み取り構造が複数のダイオード類似構造として形成される場合、入力１２６０．１〜１２６０．ｎは、図８４に示す電極８４４の個々のものを選択する。しかしながら、読み取り構造は、トランジスタで形成され、次いで、入力１２６０．１〜１２６０．ｎは、図７６に示されるトランジスタ１１２０〜１１５８の個々のものの間で選択することができる。マルチプレクサの出力は、差動増幅器１２７０の第１の入力に提供される。差動増幅器１２７０の第２の入力は、基準信号発生器１２８０から基準信号を受信する。基準信号発生器１２８０は、温度摩耗モニタデバイスに使用される同一の読み取りデバイスによって形成され得るが、ここで、モニタ原子は、提供されない。基準デバイス１２８０は、読み取り回路に対する温度効果を補償するために使用される。差動増幅器１２７０による差信号出力は、デジタル−アナログ変換器１２９０によってデジタル化され、データプロセッサ１３００に提供される。データプロセッサ１３００は、プログラム可能なデータプロセッサによって実装されてもよい。代替的に、マルチプレクサ１２５０を制御する状態機械と、濃度当たり出力電圧を変換するためのルックアップテーブルとの組み合わせとして実装されてもよい。データプロセッサ１３００は、出力１３０２を提供する。出力１３０２は、設計者の選択で、接触または無線通信リンクによって提供されてもよい。測定構成要素をホイートストンブリッジ状の回路に構成するなど、他の回路構成は可能である。
本明細書に記載の回路は、機能ダイ上に実装され得る。代替的に、本明細書に開示される回路は、図８０に概略的に示されるように、チップスケールパッケージ１３２４内の機能回路１３２２を含有するダイと一括包装された特殊ダイ１３２０上に提供されてもよい。
これまでに記載される配置は、適切な温度摩耗モニタデバイスに適していた。しかしながら、拡散速度も濃度の関数であるとすれば、本明細書に開示された教示は濃度モニタにも適用することができる。
図８１は、本開示の教示に従う、濃度モニタの平面図を概略的に示す。濃度モニタは、一般に１３３０と表記され、平面図に示されており、２つまたは３つのチャネルを備える。含まれ得る第１のチャネル１３３２は、温度基準チャネルである。含まれ得る第２のチャネル１３３４は、温度測定チャネルであり、含まれ得る第３のチャネル１３３６は、濃度測定チャネルである。第２のチャネル１３３４は、本明細書においてこれまでに説明された実施形態のうちの１つで形成される。第１のチャネル１３３２は、同様に形成されるが、モニタ原子１０２２の源を含まない。濃度チャネル１３３６は、温度チャネル１３３４のように形成されるが、代わりに、金１０２２は、適用されず、アパーチャ１３６０は、その濃度が測定されている第２のモニタ原子または試薬が、第３のチャネル１３３６の第１の領域中に拡散するように形成される。チャネルの各々は、本明細書においてこれまでに説明された測定構造を含み、好適なデータ処理回路に接続される。温度チャネル１３３４は、様々な実施形態、例えば、図６６Ａ／６６Ｂに関して記載される温度摩耗モニタデバイスと同様のものとすることができ、第１の領域および第２の領域を含むことができ、ここで、第１の領域は、第１のモニタ原子に曝露されるように適合され、第２の領域は、第１のモニタ原子を第１の領域から離して移動させるように適合される。含まれる場合、温度基準チャネル１３３２は、温度チャネルの第２の領域に対応する第３の領域を含む。含まれる場合、濃度測定チャネル１３３６は、第２のモニタ原子または試薬を露出するための開口１３６０を含む第３の領域と、第３の領域に接触し、第４の領域に沿って第２のモニタ原子または試薬を移動させるように適合される第４の領域とを含む。
本明細書においてこれまでに示され説明された配置において、摩耗モニタデバイスは、温度濃度の永久記録を保持する。これは、不純物原子を、固有電界、または内蔵電界、または外部印加電界の影響下で、摩耗モニタデバイスの本体に沿って不純物源からドリフトすることによって実現される。電界は、第１の方向に沿って印加される。電界の提供はまた、不純物原子を読み取り構造から一掃することによって、摩耗モニタデバイスを定期的にきれいにするために使用されてもよい。そのような配置は、図８２に概略的に図示されており、ここでは、モニタ原子１０２２の源、および１３８０と表記される読み取り構造が、半導体１４００の領域の表面に形成される。使用中、モニタ原子は、ドーピングによって、または、ここで示されるように、電極１４１０および１４１２間に印加される潜在的な差Ｖ１によって設定される固有電界によってＸ方向において半導体を通って一掃される。しかしながら、時々、電極１４２０および１４２２間に印加される第２の電圧Ｖ２は、Ｙ方向において不純物原子を一掃するために使用されてもよい。Ｖ２がＶ１よりもはるかに大きい場合、読み取り構造１３８０は、第２の電圧Ｖ２を印加して測定／読み取り領域１３８０から不純物原子を一掃することによって、効果的にリセットすることができることが分かる。
図８３は、実施形態による、コア回路の摩耗の時間分解モニタリングのために構成された摩耗モニタデバイス８４０を示す。図示されるデバイス構造は、上述したものと同様である。図示されるものなどの、空乏幅対ドーパント濃度のグラフは、モニタ領域としての空乏領域の相対幅（深さ）および／または感度を調整するために利用され得ることが理解されるであろう。
図８４は、実施形態による、コア回路の摩耗の時間分解モニタリングのために構成された摩耗モニタデバイス８４０を示す。図示されるデバイス８４０は、垂直方向および横方向の複数のＰＮ接合部領域を含み、ここで、Ｐ領域のうちの１つが、その上に形成された拡散物質のリザーバまたはモニタ原子を有し、Ｐ領域およびＮ領域の各々が、その上に形成された電極８４４を有する。構成されるように、複数の接点は、拡散された拡散物質原子の量と関連する、電気特性、例えば、漏れ電流が、垂直および／または水平位置の関数として記録されることを可能にし、これもやはり、時間の履歴を示すことができる。加えて、以下により詳細に論じられるように、電荷を有する拡散物質原子を利用することによって、電極は、拡散物質原子の移動を「早送りする」または「巻き戻す」ために利用され得る。
図８５は、用途に応じて、上述した異なる特徴の組み合わせを使用して、摩耗モニタデバイスの異なるものが有効になり連携することができる、複数の摩耗モニタデバイスモニタを示す。図８５の摩耗モニタは、モニタ原子のリザーバと基礎基板との間に形成された障壁層を有する。図示され上述されたように、個々の摩耗モニタは、個々の摩耗モニタデバイスの障壁層を変更または排除するために、刺激、例えば、電圧を印加することによって、異なる時間に初期化することができ、それによって摩耗モニタデバイスを初期化する。初期化される摩耗モニタデバイスは、モニタ原子をリザーバから基板中に拡散させる準備ができており、そこから生じる電気特性における変化が測定され得る。
図８６は、個々の拡散モニタデバイスへのアクセスが、ヒューズによって調整され得る、配列における複数の摩耗モニタの配置を示す。例えば、第１の摩耗モニタデバイスＤ１の一定時間／動作寿命後、第１の摩耗モニタＤ１に接続された第１のヒューズＦ１が切断されてもよく、その後、第２の摩耗モニタデバイスＤ２に電圧が印加されて、これにより、Ｄ２が今はアクティブモニタになる。特定用途向け多重化システムを使用して、異なる入力／出力（Ｉ１．．．Ｉｎ）を協調させることができ（ヒューズ破断が所望されない場合がある）、異なるモニタからの原子の拡散における相対的な差異を効果的に示す電気出力が貴重な情報を提供し得る。
図８７〜９４は、実施形態による、モニタするために、例えば、コア回路の摩耗の時間分解モニタリングのために構成された検知回路に電気的に接続された、複数の摩耗モニタデバイスまたは領域（例えば、Ｄ１、Ｄ２、．．．）を有する摩耗モニタデバイスの実施形態を示す。
図８７は、実施形態による、時間分解モニタリングのためにトランジスタおよび検知回路に接続された複数の摩耗モニタまたは領域（Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎ）を備える摩耗モニタの配置を示す。
図８８は、実施形態による、各々が障壁４３８によって基板６２から分離されたモニタ原子を備える、複数のリザーバ４３４を備える摩耗モニタ（左の断面図、右の平面図）を示す。図４３Ａに関して例示される摩耗デバイスと同様に、リザーバの各々は、モニタ原子、例えば、Ａｕを含有し、障壁４３８の各々は、モニタ原子の拡散を開始するのに十分な電気刺激、例えば、電圧または電流が印加されたときに排除または消費され得る材料で形成される。障壁４３８の各々は、トランジスタに接続されて、電気刺激を提供することができる。平面図に例示されるように、障壁４３８は、障壁４３８に印加された高電流が、拡散を開始するために、例えば溶融またはエレクトロマイグレーションによって障壁４３８に開口を形成するように、リザーバまたはモニタ原子が配設されるエリアでは、薄膜として構成される。
図８９〜図９４は、実施形態による、時間分解モニタリングのために、その上に形成されたモニタ原子（例えば、Ａｕ）のリザーバと、複数の電極（Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎ）とを有する基板（例えば、Ｓｉ）を備える摩耗モニタを示す。他で記載されるように、Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎの各々は、空乏領域は、モニタリング領域として機能することができる基板内に形成されたＰＮ接合部上に形成され得る。
図８９は、基板が、「早送りする」および／または「巻き戻す」回路に接続され、一旦モニタ原子がリザーバから基板中に拡散すると、モニタ原子の電荷状態に応じて、左または右方向に電流を流すことによって、モニタ原子を左または右に向かって横方向に拡散させるように構成されていることを示す。
図９０は、実施形態による、逆バイアス漏れ多重測定回路に接続されている電極を示す。一実装では、正が、ｎ＋領域、例えば、＋１Ｖに印加されるとき、ダイオードは逆バイアスの下にある。正および負の端子の両方に約０Ｖを強制する。
図９１は、実施形態による、差動測定のための基準構造を含む逆バイアス漏れ多重測定回路に接続されている電極を示す。
図９２は、実施形態による、それらのゲートが電極Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎ．．．として機能する複数のＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ２、．．．ＴＮを示す。ＭＯＳトランジスタおよび基準トランジスタは、差動測定のための差動増幅器に接続されている。回路は、他のパラメータの中でも、ＭＯＳトランジスタがオンになっている間にＭＯＳ閾値電圧のシフトを測定するように構成され、そのシフトは、ＭＯＳトランジスタのチャネル中へのモニタ原子の拡散に起因する。動作中、ＭＯＳトランジスタの閾値電圧が変化するとき、検出ノードの電圧は、それに応じて変化する。測定はシングルエンドまたは差次的とすることができる。
図９３は、それらのゲートが電極Ｄ１、Ｄ２、．．．Ｄｎ．．．として機能する、複数のモニタＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ２、．．．ＴＮを示す。モニタＭＯＳトランジスタは、電流源に接続される。回路は、他のパラメータの中でも、ＭＯＳトランジスタがオフにされる間に、チャネルを介して漏れ電流を測定するように構成される。動作中、検出ノードが電流源によって初期に引き上げられた後、内部に拡散した可能性のあるモニタ原子に起因するチャネルを介した電流漏れは、検出ノードを引き下げる。
図９４は、逆バイアス回復電流を測定するように構成される検知回路を示す。電極は、インバータ／バッファによってダイオードを順方向バイアスから逆バイアスに駆動するための制御信号を受信するように構成されている。ダイオードが順方向バイアスから逆方向バイアスに駆動されるとき、Ｒｉｎの左側の電圧はほぼＧＮＤに引き下げられる。ダイオード逆回復のため、Ｒｉｎの左側の電圧は、ＧＮＤ下に引き下げられる。この信号は、増幅され、ダイオード逆回復を測定するように変換される。
図９５Ａは、実施形態による、ダイオード９５２を備え、コア回路の摩耗をモニタするために構成された、逆バイアス回復電流を測定するように構成される、検知回路９５０を示す。導通状態から遮断状態に切り替えるとき、ダイオードまたは整流器は、ダイオードが逆電流を阻止する前に最初に放電されなければならない電荷を蓄積していることが認識されている。この放電には逆回復時間、またはｔｒｒと呼ばれる有限の時間がかかる。この間、ダイオード電流は、逆方向に流れ得る。本発明者らは、このようなダイオードの逆回復時間（ｔｒｒ）が、摩擦応力の結果としてダイオードのＰＮ接合部に入る不純物、例えば金によって変更することを発見した。この効果に基づいて、実施形態に従って、コア回路の摩耗を半定量的に決定され得る。図示される回路９５０は、ダイオード９５２を、順方向バイアス構成から逆バイアス構成に切り替えるように構成され、かつ、逆回復をそこから決定し、摩耗応力に起因する不純物の量、種類および／または位置を半定量的に決定するように構成される。
図９５Ｂは、モニタダイオード９５２が順方向バイアス構成から逆バイアス構成に切り替えられるときの、図９６Ａに示される検知回路９５０の異なるノードで測定された電流および電圧を示す。ページ上部の４つのグラフは、時間の関数として、ダイオード９５２の両端の電圧、ダイオード９５２の両端の電流、ダイオード９５２に直列に接続された抵抗器の両端の電圧、および増幅器の両端の出力電圧に対応する。例示されるように、ページ上部からの第２のグラフは、ダイオード９５２が、順方向バイアス領域、順方向回復領域および逆バイアス領域を含む異なる領域にわたって遷移するときに、ダイオード９５２の両端で測定された電流を示す。増幅器からの正電圧出力は、コア回路の摩耗を半定量的に決定するために使用され得る。
図９６Ａは、内部に拡散した不純物を有しない基準ダイオード９６２を備える基準回路９６０を示す。基準回路９６０は、コアの摩耗をモニタするように構成されたモニタダイオード９５２の代わりに、基準回路９６０が基準ダイオード９６２を含むことを除いて、図９５Ａに関連して上述した検知回路の回路構成要素に相当する、様々な回路構成要素を含む。基準ダイオード９６２は、例えば、ダイオード９６２の空乏領域中に拡散するように構成されたモニタ原子を含まない。
図９６Ｂは、基準ダイオード９６２が順方向バイアス構成から逆バイアス構成に切り替えられるときの、図９６Ａに示される基準回路９６０の異なるノードで測定された電流および電圧を示す。図９６Ｂに図示される４つのグラフは、図９５Ｂにおける検知回路９５０に関して図示される４つのグラフに対応する。具体的には、第２のグラフは、図９６Ａに示された検知回路９６０を使用して、図９６Ａの基準ダイオード９６２が、順方向バイアス構成から逆バイアス構成に切り替えられるときの、基準ダイオード９６２の両端の電流を示す。例示されるように、図９５Ｂで測定された電圧出力と比較して増幅器からの比較的小さい電圧出力は、コア回路の摩耗を判定量的に決定するための基準として使用され得る。
モニタ原子の拡散方向を反対にするために構成された摩耗モニタデバイス
上記の様々な実施形態に関して記載されるように、摩耗モニタデバイス内の特定の場所におけるモニタ原子の濃度は、摩耗応力の統合された履歴を示すことができる。原子拡散は、対向する化学的電位を伴わずに、濃度勾配によって駆動され得るため、モニタ原子の正味移動方向は、モニタ原子の濃度を減少させる方向にある傾向がある。結果として、様々な構成について、摩耗モニタデバイスは、「１回使用」デバイスとして構成することができる。しかしながら、いくつかの用途について、摩耗応力に供された後、モニタ原子の移動を逆方向に「巻き戻す」ことが望ましい場合がある。
これらおよび他の必要性に対処するために、上述の様々な実施形態と同様に、摩耗モニタデバイスは、摩耗応力が、モニタ原子をリザーバから離してモニタ領域中に拡散させるように構成される。さらに、摩耗モニタデバイスは、モニタ原子が、モニタ領域において拡散されたとき電荷状態を有するように適合されるように構成され、かつ、内部に拡散したモニタ原子を有するモニタ領域に電界が印加されるとき、電界が、モニタ原子をモニタ領域から離して拡散させ、リザーバに戻らせるように、電界をモニタ領域に印加するように構成されている。これらの実施形態におけるモニタ原子の移動方向は、濃度勾配の増加方向にあることが理解されるであろう。したがって、様々な実施形態によれば、摩耗モニタデバイスは、内部に拡散したモニタ原子を有するモニタ領域に電界が印加されるとき、電界が、モニタ原子を、濃度勾配の増加方向において拡散させるような大きさを有する電界を印加するように構成される。これらの実施形態は、図９７および９８に関して説明される。
図９７は、実施形態による、図５６Ａおよび６３Ａに関して例示されるものと同様の、動作中の摩耗モニタデバイスの断面図を示し、ここで、摩耗モニタデバイスは、コア回路の摩耗を測定するために原子の相互拡散に基づく電気シグネチャを利用され得るように構成されている。図９８は、図９７の摩耗モニタデバイスの断面図、およびデバイスに接続された制御回路および検知回路を示す。具体的には、図９７および９８に図示されるデバイスは、実施形態に従って、複数の領域を含み、ここで、各領域は、外部刺激を使用して初期化されるように、かつ、モニタリング、例えば、コア回路の摩耗の時間分解モニタリングのために構成される。初期化され、摩耗応力に供された後、それによって、モニタ原子がそれぞれのモニタ領域中に拡散することを可能にし、モニタ原子は、モニタ領域に拡散されるとき電荷状態を有するように適合されるため、内部に拡散したモニタ原子を有するモニタ領域に電界を印加することによって、モニタ原子をモニタ領域から離して拡散させ、リザーバに戻らせる。
時間分解モニタリングのため、およびモニタ原子の拡散方向を反対にするため、制御された初期化のために構成された摩耗モニタデバイスに基づくセンサネットワークシステム
いくつかのデバイスは、コア回路の故障につながり得る、予測時間および／または使用量の予測量を有するコア回路を含む。予測される故障までの時間、および／または予測される故障までの使用量は、時折、１組の条件、例えば、平均条件について計算される、および／または実験的に決定される。例えば、故障までの平均時間は、エレクトロマイグレーション関連故障に関して計算され得、電流密度、温度、および活性化エネルギーを含む、１組の条件に基づき得る。しかしながら、コア回路の実時間および／または使用量は、故障が予測されている予想外の故障または不必要な置換につながる時間および／または使用量の条件とは著しく異なる（例えば、下回るまたは上回る）場合がある。したがって、コア回路が供される実時間または使用量をより正確に表す摩耗の指標を、コア回路のユーザに警告する必要がある。以下に、このニーズまたは他のニーズに対処するために、摩耗モニタおよびミッションプロファイルモニタの様々な実施形態を統合したシステムが記載されている。
様々な実施形態によれば、センサネットワークシステムは、センサノードネットワークを含む。センサノードネットワークは、複数のセンサノードを含み、ここで、センサノードの各々は、１つ以上の上述した摩耗モニタデバイスと、アプリケーション処理ユニットとを含む。１つ以上の摩耗モニタデバイスは、コア回路から分離され、コア回路に対して好適に配置され、かつコア回路の摩耗の指標を記録するように構成され、ここで、指標は、コア回路の摩耗を引き起こす摩耗応力に応答して、摩耗モニタ内の拡散物質の局所的な拡散と関連付けられる。摩耗モニタデバイスは、センサノードの摩耗モニタデバイスが給電されているか、または給電されていないかにかかわらず、摩耗の指標を記録するように構成される。センサノードネットワークは、サーバまたはホストサービスに通信可能に連結されて、記録された指標をそこに送信する。サーバまたはホストサービスは、摩耗の指標をユーザに伝達し、および／またはアラーム信号を提供して、一部を置き換えるように構成される。
本明細書に開示される摩耗モニタデバイスモニタで展開され得る多くの異なる特定用途向けシステムが存在する。図９９を参照すると、システム、例えば、コア回路の摩耗をモニタするためのセンサネットワークシステムが記載されている。
図９９の図示されるシステムは、１つ以上のセンサを含む。実施形態によれば、センサは、センサノード１４５０内に配置されてもよい。本明細書に記載されるように、モジュールに配置された１つ以上のセンサは、センサノードと称され得る。様々な実施形態では、センサノード１４５０は、例えば、無給電パッケージにおいて、データを取り込むために構成された１つ以上のセンサを含むことができる。センサノードは、アプリケーション処理ユニット（ＡＰＵ）をさらに含むことができ、これもやはり、１つ以上のマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、ハードディスク、通信モジュール、および／または物理的インターフェースの集合を含む。センサノードは、取り込まれたデータの収集を可能にするための１つ以上のデータアクセスインターフェースをさらに有する。これらのインターフェースとしては、他のポートまたはインターフェースがある中で、ＧＰＩＯピン、ＵＳＢポート、パラレルインターフェイス、ＲＳ２３２接続、イーサネット（登録商標）ポート、または無線伝送用の無線（ＲＦ、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など）が含まれるが、これらに限定されない。本明細書で使用される場合、物理的または無線手段を介してノードから収集されたデータは、通過中にデータストリームとして知られている。
センサノードのインストールおよび構成は、例えば安全なプロトコルを介して実行され、ノードが安全かつ安全にセンタネットワークに追加され得ることを保証する。これにより、すべてのノードがネットワーク内で信頼できるようになり、権限のないノードがネットワークにアクセスすることを防止する。
図９９をさらに参照すると、データ記録または読み取りは、各センサノードで取り込まれる。いくつかのアプリケーションでは、センサノードの環境およびデータ処理能力に応じて、各センサノードにおいてデータを情報に変換することができる。情報には、分析データ処理アルゴリズムを使用して変換されたデータが含まれており、取り込まれたデータの向上したまたはより大きな高解像度を決定する。いくつかのアプリケーションでは、ネットワーク環境とセンサノードの処理能力に応じて、不正なアクセスを防ぐために、取り込まれたデータを暗号化または同様の方法で保護することができる。
図９９をさらに参照すると、１つまたは複数のノードで取り込まれたデータ／情報が、（センサノードの能力に応じて）上流システム１４５４に転送または送信される。本明細書に記載されるように、上流システムは、センサノードではないが、センサネットワークからのすべてのデータおよび／または情報を格納し、処理し、利用可能にするように構成された別個の独立した機器である。上流システムは、センサノードの能力、ネットワーク環境、システムのアプリケーションニーズに応じて、データを保護する。上流システムは、データを情報に変換する。その情報は、システムが対象とするアプリケーションが直面したアドレス固有ドメイン問題に対処するために使用できる。
図９９をさらに参照すると、例示されるシステムのセンサノードは、以下に記載されるように、実施形態による、様々な構成を有することができる。
いくつかの実施形態では、センサノードは、ゼロ電力モードで構成される。このモードでは、センサは、読み取り値を不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）から読み取ったり、そこに格納したりすることなく、または電力を連続的に印加して、読み取り値を読み取り、読み取り値を保管するように構成される。
このモードでは、マイクロプロセッサ（ＭＰ）またはＮＶＲＡＭモジュールは省略できる。各センサノードのオンデマンド読み取りを可能にするためにインターフェースを設けることができる。
いくつかの実施形態では、センサノードは、連続的な動作モードで構成される。このモードでは、センサは連続的に給電され（例えば、主電源またはバッテリを介して）、所定の時間間隔で各センサから連続的な読み取りを行うように構成される。これらの読み取り値はＮＶＲＡＭに格納され、後で１つまたは複数のインターフェースを使用して上流システムに伝達され得る。
いくつかの実施形態では、センサノードは、センサが周期的に起動され最新の読み取り値を記録するように構成されたモードで構成される。このモードでは、内部クロック（クリスタルまたは他を経由）、ＮＶＲＡＭおよび単純なロジック回路を使用して、システムは超低電力の深いスリープ状態から定期的に起動し、各センサから読み取り値が読み込まれる。ＮＶＲＡＭに保存される。これらの読み取り値は、後で１つまたは複数のインターフェースを使用して、上流システムに伝達することができる。
いくつかの実施形態では、センサノードは、センサが割り込みイベントで起動され、最新の読取り値を記録するように構成されたモードで構成される。このモードでは、ＭＰおよびいくつかのＩ／Ｏ回路を追加することで、システムは割り込みイベントで起動し、各センサからの読み取り値を取得し、これらの読み取り値をＮＶＲＡＭに格納することができる。これらの読み取り値は、後で１つまたは複数のインターフェースを使用して、上流システムに伝達することができる。
様々なセンサノード構成について、ＮＶＲＡＭの容量が近づいているときに、センサノードを記録の読み取りを停止するか、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）方法を使用して、連続的に記録するようにＮＶＲＡＭを設定できる。
上述の様々なセンサノード構成の場合、センサノードは、１つ以上のセンサ読み取り値に加えて瞬時ノード動作条件を検出し、オンボードアルゴリズムプロセッサを使用してデータを分析して、データに関する情報に基づいた意思決定を行うための計算を実行し、これらの計算の結果を格納する（すなわち、データではない情報を格納する）。例えば、この情報を追加の計算で使用して、電源容量をより有効に利用するか、または重要なイベントを確実に捕捉するために、割り込みコントローラの起動または構成の期間を改善することができる。
センサおよびセンサノードは、センサネットワークにさらに配置され得る。本明細書に記載されるように、センサノードの集合は、センサネットワークと称され得る。センサネットワークは、例えば、単一の機器、部屋、建物、施設または惑星全体を含む地理的領域をカバーすることができる。以下に、センサネットワークの様々な構成は、説明する。
図１００は、ネットワーク伝送１５０２を介してプライベートサーバ１５０９を含む上流システムと通信可能に連結されたセンサネットワーク１５０１を示す。ネットワークおよび上流システムは、ビジネス／組織にプライベートであり、センサネットワーク内の捕捉されたデータ変換することから収集される情報は、そのビジネス／組織に特有のアプリケーションに変換するために使用される。
ネットワークから捕捉されたデータは、暗号化などを使用して各ノードで保護され、確実にプライベートサーバに送信される。物理的または無線の媒体を介したすべてのネットワーク伝送は、安全に実行できる。機密性（権限のない人がデータストリームにアクセスすることはできない）、完全性（データストリームを改ざんまたは変更できないことを確実にする）、および認証の利用（ユーザおよび／またはシステムが自分のものだと特定することを確実にするため）を保証するプロトコルを使用して、データ送信を保護することができる。
保護された送信プロトコルの例には、セキュアソケットレイヤー（ＳＳＬ）、ハッシュされたメッセージ認証コード（ＨＭＡＣ）および公開／秘密鍵交換が含まれる。
上流サーバは、データ収集／処理命令からコマンドおよび制御（ＣｎＣ）命令をルーティングおよび分離するシステムコントローラ１５０４を含む。ＣｎＣ命令には、ネットワーク構成コマンド、新しいノードのインストール／セットアップコマンド、およびネットワーク正常性管理が含まれるが、これらに限定されない。
ＣｎＣ命令は、ノードマネージャ１５０６にルーティングされる。ノードは、すべてのＣｎＣ命令を処理して扱うように構成される。
データ収集および処理命令は、処理エンジン１５０５にルーティングされる。処理エンジン１５０５は、必要に応じてデータを格納し、データ解析アルゴリズムを使用してデータを情報に変換し、必要に応じて情報を格納し、システムアプリケーションのニーズ、構成およびデータの情報への変換の結果に応じてイベントを発生させる。
イベントマネージャ１５１０は、システム内で発生したすべてのイベントを扱うように構成される。イベントハンドリングとしては、ユーザディスプレイ更新、電子メール通知、上流システムの相互作用、およびセンサネットワークのＣｎＣ命令（例えば、強制シャットダウンコマンド）が挙げられ得るが、これらに限定されない。
すべてのデータおよび情報は、バッキングストアに持続される。バッキングストアは、データファイルまたはデータベース１５０８（リレーショナルおよび非リレーショナルの両方）を含むことができるが、これらに限定されない。データは、データスキーマを利用して格納される。センサノードおよびデータデータベーステーブルを含む例示的なスキーマを、下記の表２および３に関して以下に示す。
図１０１は、実施形態による、センサネットワークと通信可能に連結されたクラウドホストサービスを示す。センサネットワークデータは、収集され、ホストサービス、またはクラウドコンピューティングサービスと時々称されるサービスに伝送することができる。クラウドは、データを持続し、分析し、および情報に変換するように構成され、その情報に対する適切な処置を取る。
これらのホストサービスは、アプリケーションのニーズやネットワークの展開に応じて、プライベート（企業内または施設内のプライベートネットワーク）、ハイブリッド（パブリックインターネットアクセスサービスとプライベートネットワークとの組み合わせ）またはパブリック（インターネットアクセス可能なサービス）であり得る。
公衆クラウドの例は、ホストサービスが、顧客の私有センサネットワークの範囲からデータを捕捉するために使用される場合である。クラウドは、そのスケールと処理能力を利用して、各顧客にとって価値のある変換されたデータからの異常または重要な情報を推測する。
可能なサービス展開には、以下のモデルが含まれるが、これらに限定されない。
ソフトウェアおよびアルゴリズムが、自社の選択したホストサービスネットワークにこれらのサービスを自由に展開できる顧客に販売される、ＳａａＳ（ｓｏｆｔｗａｒｅ−ａｓ−ａ−ｓｅｒｖｉｃｅ）モデル。
各顧客がデータの所有権と制御を保持しながらオンラインホストサービスを提供し、彼らのデータの保管と分析に利用できるようにした、ＰａａＳ（ｐｌａｔｆｏｒｍ−ａｓ−ａ−ｓｅｒｖｉｃｅ）モデル。
図１０１をさらに参照すると、クラウドホストサービスは、ロードバランサ１５０１を利用して、センサネットワークデータストリームを上流処理システムに確実かつ効率的に配信する。配信は、一般的に、排他的ではないが、バックエンドのホストシステムのボリュームおよび現在の負荷に基づいている。
図１０２は、実施形態による、センサが、プライベートサーバまたはホストサービスと直接通信することによって、データを収集するように構成されている、センサネットワークを示す。しかしながら、より実用的なアプローチは、プロキシサーバを使用して、センサネットワークからデータ／情報読み取り値を収集することであり、収集されたデータを上流システムに送信する責任がある。
図１０２の例示される実施形態では、プロキシサーバは、安全なプロトコルを利用して、データストリームを上流システムに送信することができる。
一般に、プロキシサーバ１６０５は、センサネットワークからデータを収集および記憶するために利用可能な大容量ストレージを有することができる。捕捉されたデータの容量およびリアルタイムの重要度に応じて、プロキシサーバは、データを上流システムに伝達するための適切な間隔で構成することができる。
状況によっては、プロキシサーバは、短距離無線プロトコル１６０４（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））を利用して、センサネットワークからデータを収集する。
状況によっては、物理接続１６０３（例えば、ＲＳ２３２）を利用して各センサノードをプロキシサーバに直接接続することができ、この接続を介してデータを送信することができる。
スニーカーネットデバイス１６１２を使用して、各ノードからデータを収集し、プロキシサーバにアップロードすることができる。スニーカーネットは、有線または無線ネットワークを介して情報を送信するのではなく、記憶媒体（例えば、ＵＳＢフラッシュドライブ）またはオンボードストレージを有する読み取りデバイスを、ソースから宛先へ物理的に移動させることによる電子情報の転送を指す。
制限なく、様々実施形態に従って、本明細書に記載のセンサネットワークシステムの一部として使用するように構成することができる１つ以上の摩耗モニタデバイス／センサ（ＷＯＳ）を備える集積回路デバイスは、以下の特徴のうちの１つ以上を含む。
上述のように、ＷＯＳは、ＷＯが給電されているか、または給電されていないかにかかわらず、摩耗状態を記録することができ、圧力、ガス、時間、電圧、および／または電流を含む様々な摩耗応力によって起動される。システムは、ＷＯＳの状態を組み合わせ、より高いレベルのシステムが、組み合わされた状態の決定を行うことを可能にする。ＷＯＳは、変動するように導出することができる。異なる速度、または電流／電圧などの存在において、である。
ＷＯＳは、物理「ゲート材料／物質」の使用によって有効化または無効化され得る。
ＷＯＳは、主要な材料／構造／センサの存在に起因して生じる２つの物理的現象のモニタリングを通じて実装することができる（例えば、金が、シリコン結晶格子に拡散し、次いで、遊離したシリコン原子が金の上部表面で酸化しなど、両方の物理現象を電気的に測定して制御することができる）。
ＷＯＳは、モニタリング中のデバイスの現在の状態に関するより多くのデータポイントを作成するために、１つ以上の具現化を使用して実装できる。
ＷＯＳは、単一のセンサで複数の温度範囲をモニタイングできるように、複数の材料層または主要材料と別の要素／物質を使用して作製されてもよい。
ＷＯＳの現在の状態は、制御下で反転／リセット／クリアすることができる。
ＷＯＳの物理的な実装によって、デバイスごとにデバイス上のＷＯＳから一意のシグネチャを読み取ることができる。
ＷＯＳの物理的実装は、原子計数を可能にすることができる。
ＷＯＳの物理的実装は、材料境界への物理的変化を通じてＷＯＳへの接続の一部または全部の有効化または無効化を可能にすることができる。
ＷＯＳの物理的実装は、単一／複数のソース要素／材料に対して複数の読み取りポイントを有効にすることができる。
ＷＯＳは、デバイス／チップ／モジュールが一度だけはんだ付けされたことを検出するために使用することができる。
溶媒／溶質の通常の広がりを制御するために、障壁材料を、周りに／中心として／近くに、使用してもよい。
障壁は、ブローイングを可能に（電気的、光化学的、化学的、物理的応力、破壊、崩壊など）、ノーブローイングを可能に、蒸発を可能にするためのものであり得る／あってもよい。
ＷＯＳは、材料、例えば、二酸化シリコンの物理的成長による追加のコンデンサ差動センサを可能にすることができる。これにより、単一のセンサが、摩耗に関する２つの別個のデータ点を生成することが可能になる。
いくつかの実施形態では、１つ以上のＷＯＳが、ＳＯＣおよびＳＩＰを含む単一／複数のダイのパッケージに組み込まれる。
いくつかの実施形態では、１つ以上のＷＯＳは、同じ物理的モジュールまたは３Ｄプリントされたアセンブリ内に含まれる。物理モジュールの例としては、複数の集積回路を備えたＰＣＢボードまたは可撓性基板が挙げられるが、同様に、各構成要素、例、リボンケーブル、フレックス、ＲＦ、および／または光間の物理的接続の有無に関わらず、システムであり得る。
これらの実施形態では、ＷＯＳを電気的および物理的に統合して物理的モジュールの内部に入れることができる。他の実装形態では、ＷＯＳは電気的に統合することができるが、物理的モジュールの外部に物理的に配設することができる。物理的モジュールの外部にあるとき、ＷＯＳは周囲条件を捕捉することができる。
さらに、モジュールは能動的または受動的にすることができる。モジュールが受動的である場合、モジュールは独立した電源を持たないが、それ自体の電力で外部デバイスによって読み取られることが可能である。モジュールが能動的であるとき、ＷＯＳは、例えば電力／電圧／電流が存在するときのみモニタするように構成される。
いくつかの実施形態では、ＷＯＳは３Ｄプリント構造に埋め込まれ、相互接続が３Ｄプリント構造中にまたはその上に埋め込まれる。このアプローチにより、複数のＷＯＳを構造全体に分散させることが可能である。
いくつかの実施形態では、１つ以上のＷＯＳが、極端な環境条件、例えば、温度範囲を経験するモジュール／構造にカプセル化される。これらの実施形態では、相対的により敏感な電子機器は、極端な環境条件の源、例えば、温度源から適切な距離だけ離れて維持されるか、または隔離される。ＷＯＳは、センサからの読み取りを可能にする物理／光学／ＲＦ媒体を介して接続することができる。
いくつかの実施形態では、１つまたは複数のＷＯＳは、必要に応じて、および／または定期的にセンサの読み取りを遠隔および／または無線で送信するための最小の電子機器を備えたモジュールに格納される。
定期的なデータ転送は、給電されたセンサ、または採取された環境エネルギー（光、太陽、温度）によって行うことができる。
遠隔モジュール／構造は、ＲＦＩＤ波によってポーリングすることもできる。いくつかの遠隔通信方法は、安全なプロトコルを使用することができる。
ＷＯＳは、「サービス寿命」メーターとして使用することができ、所与の時間の後に、ＷＯＳは、デバイスが最大寿命に達したことをシステムに警告し、交換のために警告する。この「サービス寿命」は、能動的でも受動的でもよく、時間、温度、圧力、電圧、電流、ガスなどのためのものであってもよい。
図１０３は、実施形態による、センシングネットワークシステムへの統合のために、上述した様々な摩耗モニタデバイスに可能な様々な物理的および電気的接続を示す。具体的には、図示されている摩耗モニタデバイスは、図９８に関して例示されるデバイスと同様である。具体的には、図示されたデバイスは、複数の領域を含み、ここで、各領域は、外部刺激を使用して初期化されるように、かつ、モニタリング、例えば、コア回路の摩耗の時間分解モニタリングのために構成される。
摩耗モニタデバイスに基づくセンサネットワークシステムの実施例
実施例：システムＡ
本発明者らは、部品が比較的長い間、非アクティブ状態で放置されているとき、コア回路を備える部品のアクティブ寿命を決定することは困難であり得ることを認識した。パーツが使用される前にどれくらい非アクティブであったかを知ることは、部品の寿命性能と能力の故障解析と一般的な特性評価に役立つ。
これらおよび他の必要性に対処するために、実施形態による摩耗モニタデスに基づくセンサネットワークシステムが、図１に関して例示されている。図１０４を参照すると、その１つ以上が室温で拡散する材料に基づいている、複数のＷＯＳを使用することによって、部品の最初の給電時に読み取り値を取ることができ、また、ＷＯＳが高レベルの拡散を示す場合、その部品が使用される前に長時間非アクティブになっていたことを示すことに留意されたい。これは不揮発性メモリ（ＮＶＭ）や他の永続ストレージに記録され、高精度アナログ回路トリミングおよび／または故障後診断、特性評価において使用することができるか、または部品の残存する寿命や能力をユーザに警告／指示するためにさらに使用することができる。１つ以上のセンサがアクティブにすることができる。
好適なクラウドプラットフォーム（標準的な通信インフラストラクチャ全体にわたる、セキュリティ、データ処理、管理技術を含むクラウドインフラストラクチャ）を使用して、故障診断や予防保守を支援することができる。センサモジュールの登録プロセスの一環として、固有の識別コード、ＷＯＳの固有の識別プロファイル、ＷＯＳの拡散レベルなどのモジュールの重要な属性を記録して報告することができ、所与のデバイス／モジュールアプリケーション空間の標準拡散プロファイルと比較される。このプロセスは、ユーザが利用できるか、または製造業者の故障解析機関もしくはロイヤルティベースのシステム保護部門に限定される可能性がある。
センサ／モジュールが登録されると、製造者は追加のクラウドサービスを提供して、顧客が部品の動作条件および残存寿命の予測を助けることができる。例えば、車載向けデバイスは、ｘ週／日／時間／分で最終的な操作を警告することができ、それ自体が機能を無効にする前に、ユーザに、デバイスを交換する時間を与える。
このように、システムＡは、較正から故障解析まで、使用中の部品のコア回路の寿命履歴をほぼすべて捕捉することができる。
実施例：システムＢ
本発明者らは、ＷＯＳの性能または精度が部品の材料および動作温度範囲に依存し得ることを認識した。短時間の温度スパイクやＷＯＳ材料の活性化レベルを下回る温度範囲への長期間の暴露など、帯域外の温度事象を捕捉し相関させることは有用であろう。
これらおよび他の必要性に対処するために、摩耗モニタデバイスに基づく実施形態によるシステムは、パッシブ（ＷＯＳ）およびアクティブセンサの組み合わせを含む。この組み合わせを使用すると、部品に給電されている間に追加の読み取りを行うことができる。これらの読み取りは、システムのより完全な温度プロファイルを決定するためにＷＯＳ読み取りと併せて使用することができる。ウェイクアップタイマーと併せて、実際のプロファイルをＮＶＭに捕捉および格納するか、またはスーパバイザシステムおよび／もしくはクラウドインフラストラクチャにおいて外部処理のために伝達することができる。
したがって、システムＢは、デバイスレベルでの正確な温度プロファイルロギングを有利に提供することができる。
例：実施システムＣ
本発明者らは、非ＥＣＣメモリストレージに依存するシステムに深刻な結果を及ぼすことがある宇宙線または粒子に起因してデータの劣化が起こり得ることを認識した。
これらおよび他の必要性に対処するために、実施形態によるシステムは、ＷＯＳを有するメモリチップを含み、特有の拡散シグネチャに起因する宇宙粒子衝突事象を検出する。この事象は、次いで、システムによって既知の良好な状態にリセットされるか、または、使用するために、システムによって実行され得る。故障後分析ロギング事象。
デバイス登録プロセスは、ＷＯＳの初期状態を決定するためのシステムチェックを含み、そのような事象にフラグを立てる。クラウドサーバへの後続のデータ同期は、同じ事象のチェックを含むことができる。
このように、システムＣは、放射線誘導誤差（ＲＩＥ）を有利に検出することができる。
実施例：システムＤ
本発明者らは、ダイ・クローニング、および／または改ざん、および／またはデバイスもしくはその内部システムコードに対する他の不正アクセスを検出することが有利であり得ることを認識した。
これらおよび他の必要性に対処するために、実施形態によるセンサネットワークは、そのデバイスのための標準的なミッションプロファイルに基づいて、予測可能な拡散の進行を伴うエントロピーの固有のソースを生成するように構成されたＷＯＳを含む。システムアルゴリズムは、システムコードのロックを解除するために外部復号鍵を投入しようとしているかどうか、または、誰かがデバイスへの不正なアクセスを得ようと試みていることを示すかもしれない物理的／電気的事象（例えば、デバイスのキャップを外すことー大きな熱スパイク）が起きたかどうかを検出することができる。この情報は、デバイスの「ブリック」や、そうでなければ、ＩＰに敏感なデバイスの部品を攻撃者の手の届かないところに置くために使用することができる。
デバイスに関する情報またはハッキング組織が攻撃したいデバイスに関する情報を収集するためにかなりのリソースを投資するため、侵入センサとデバイスの「ブリッキング」との組み合わせは、ＩｏＴアプリケーションや組み込みハードウェアソリューションのソリューションになり得る。可能であれば、ハッカーはハッキングしようとするターゲットデバイスを物理的に取得し、デバイスのリバースエンジニアリングを試みて、それを使用して可能性のある攻撃をテストする。
潜在的なハッキングにフラグを立てても、デバイスがシャットダウンされることはない。モジュールのシャットダウンを強制することが重大な結果（要員の健康、マシンの健全性、セキュリティ侵害）を招くようなアプリケーションでは、好ましいアプローチは、クラウドプラットフォームでアラートを記録することである。クラウド管理者は、デバイスを遠隔で非アクティブ化できる。
図１０５および１０６において説明されるように、ホストサービス、例えば、クラウドホストサービスとの通信は、さまざまなメカニズムを介して行うことができる。
図１０６において説明されるように、より高度なトリアージ目的のために、ジオロケーションハードウェアおよびモニタリングは、モジュールが予想される動作位置にあるかどうかを確立することができる。
そのような技術の使用は、クラウドデータを分析することによって高価なプロセスやリソースを置き換えることができる、内部故障分析にも適用できる。この「侵入検知」モジュールとクラウドサービスは、より高価なハードウェアを使用する顧客や、現場で故障分析を実施することが望ましい場合に販売する可能性がある。
したがって、システムＤは、侵入を検出し、デバイス／顧客ＩＰを有利に保護することができる。
実施例：システムＥ
本発明者らは、ＩｏＴモジュールをクラウド内に確保することが有利であり得ることを認識した。
この必要性および他の必要性に対処するために、ＷＯＳはいつでも特有の拡散量を記録し、通常の操作では値が操作バンドまたは変化率内にあるようにシステムが構成される。この値は、ブート時に暗号署名されたコードを生成するために使用することができ、アルゴリズムは、リバースエンジニアリング、はんだ付けなどによってファームウェアが変更されたかどうかを判断することができる。より高度なソリューションは、侵入モニタとジオロケーションの位置決めを組み合わせることができる。
デバイスとの間のトラフィックの保護は、侵入モジュールのパラメータが記録されているクラウドの初期登録プロセスを介して増大される。将来の通信には、これらの変数が、チャネルを暗号化するためのソルト（ｓａｌｔ）として含まれる。実際には、独自の拡散フィンガープリントで各モジュールと安全に通信する方法がある。
したがって、システムＥは、動作寿命仕様を超えた場合、デバイスの暗号化が動作不能になるように有利に構成することができる。
実施例：システムＦ
本発明者らは、いくつかのデバイスが製造業者によって一般的な寿命仕様を備えて提供されることを認識した。しかしながら、これらのデバイスでは、顧客がデバイスをどのように利用しているかについての情報は提供されておらず、デバイスが完全な寿命に達したかどうかについての情報がないため、すべてのリターンが「同等に」扱われる。したがって、部品が完全な寿命に達する前に、顧客がコア回路を有する部品をどのように使用したかに関する情報を提供する必要がある。
この必要性および他の必要性に対処するために、実施形態によるセンサネットワークシステムは、ＷＯＳ、または、複数のＷＯＳおよびアクティブライフセンサの組み合わせを含み、ここで、クッド（ｃｏｕｌｄ）は、製品の特定の動作寿命を定義する寿命が過ぎると、デバイスは動作不能／シャットダウンになる。これは、サービス品質（ＱＯＳ）が最優先である市場、例えば自動車／産業用途などにとって非常に有益であり得る。デバイスは、スーパバイザシステムまたはクラウドの外部の同等のものにステータス（寿命の終わりまでの時間）を伝達し、交換用デバイス収益ストリームおよびクラウドモニタリング収益ストリームを作成することができる。
結論
上述の実施形態では、摩耗モニタのための装置、システム、および方法が特定の実施形態に関連して説明されている。しかしながら、実施形態の原理および利点が、摩耗をモニタする必要がある他のシステム、装置、または方法に使用することができることは理解されるであろう。以上、実施形態のいずれか１つの任意の特徴は、実施形態の他のいずれか１つの任意の他の特徴と組み合わせることができる、および／またはその代わりにすることができることが、理解されるであろう。
本開示の態様は、様々な電子ＩＣデバイスにおいて実装することができる。電子ＩＣの例としては、民生用電子製品、民生用電子製品の部品、電子試験機器、基地局などのセルラ通信インフラストラクチャなどが含まれるが、これらに限定されない。電子ＩＣデバイスの例としては、スマートフォンなどの携帯電話、スマートウォッチまたはイヤーピースなどのウェアラブルコンピューティングデバイス、電話、テレビ、コンピュータモニタ、コンピュータ、モデム、ハンドヘルドコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、電子レンジ、冷蔵庫、自動車電子機器システムのような車両電子機器システム、ステレオシステム、ＤＶＤプレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＭＰ３プレーヤなどのデジタル音楽プレーヤ、ラジオ、カムコーダー、デジタルカメラなどのカメラ、携帯メモリチップ、洗濯機、乾燥機、洗濯乾燥機、周辺機器、時計などを含むことができるが、これらに限定されない。さらに、電子ＩＣデバイスは、未完成の製品を含むことができる。
文脈が明らかに他に必要としない限り、本明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」などの用語は排他的または網羅的ではなく包括的な意味で解釈されるべきであり、言い換えれば、「含むが、これに限定されない」という意味である。本明細書で一般的に使用される「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素によって接続され得る２つ以上の要素を指す。同様に、本明細書で一般的に使用される「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」という言葉は、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素によって接続され得る２つ以上の要素を指す。さらに、本明細書で使用される場合、「本明細書（ｈｅｒｅｉｎ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下（ｉｎｆｒａ）」、「上（ｓｕｐｒａ）」および類似の用語は、本出願において使用される場合、本出願全体を参照するものとし、本出願の特定の部分には言及しないものとする。文脈が許す限り、単数または複数の数字を用いた上記の詳細な説明の単語は、それぞれ複数または単数を含んでもよい。２つ以上の項目のリストを参照する「または（ｏｒ）」という語は、その単語の以下の解釈のすべてを網羅する：リスト内の項目のいずれか、リスト内のすべての項目、およびリスト内の項目の任意の組み合わせ。
さらに、他にもある中で、「できる（ｃａｎ）」、「できる（ｃｏｕｌｄ）」、「できる（ｍｉｇｈｔ）」、「してもよい、し得る、場合がある（ｍａｙ）」、「例えば、（ｅ．ｇ．）」、「例えば、（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「などの（ｓｕｃｈ ａｓ）」、などの、本明細書で使用される条件付き文言は、特別段の定めがない限り、または使用されている文脈の中で理解されていない限り、他の実施形態は特定の特徴、要素および／または状態を含まないが、特定の実施形態が含まれることを一般的に伝えることを意図している。したがって、そのような条件付き文言は、特徴、要素および／または状態が１つ以上の実施形態に何らかの形で必要とされること、または、これらの特徴、要素および／または状態が、任意の特定の実施形態において含まれるか、または実施されるものであることを暗示することを一般に意図しない。
特定の実施形態について説明してきたが、これらの実施形態は例として提示されたものであり、本開示の範囲を限定するものではない。実際、本明細書に記載された新規な装置、方法、およびシステムは、様々な他の形態で具体化されてもよい。さらに、本開示の精神から逸脱することなく、本明細書に記載された方法およびシステムの形態における様々な省略、置換、および変更を行うことができる。例えば、ブロックは所与の構成で提示されているが、代替的な実施形態は、異なる構成要素および／または回路トポロジで同様の機能を実行してもよく、いくつかのブロックは削除、移動、追加、細分化、結合、および／または修正されてもよい。これらのブロックの各々は、様々な異なる方法で実装することができる。上述した様々な実施形態の要素および動作の任意の好適な組み合わせを組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。上述した様々な機能や処理は、互いに独立して実施されてもよく、様々な方法で組み合わせられてもよい。本開示の特徴のすべての好適な組み合わせおよびサブコンビネーションは、本開示の範囲内に入ることが意図される。
１０…グラフ
１２…故障率曲線
１４…故障率曲線
１６…故障率曲線
１８…故障率曲線
２０ａ…集積回路（ＩＣ）装置
２０Ａ…ＩＣデバイス
２０ｂ…集積回路（ＩＣ）装置
２０Ｂ…ＩＣデバイス
２２ａ…コア回路
２２ｂ…コア回路
２４ａ…摩耗モニタデバイス
２４ａ…モニタデバイス
２５ａ…検知回路
２６ａ…検知回路
２６ｂ…検知回路
２８ｂ…基準デバイス
３０…領域
３０ａ…摩耗モニタデバイス
３０ｂ…摩耗モニタデバイス
３０ｄ…摩耗デバイス
３２ａ…半導体材料
３２ｂ…半導体材料
３４ａ…モニタ原子
３４ｂ…モニタ原子
３６ａ…初期概略濃度プロファイル
３６ｂ…概略濃度プロファイル
３９Ａ…摩耗モニタデバイス図
４０…摩耗モニタデバイス
４２…半導体基板
４４…モニタ原子
４６ａ…濃度プロファイル
４６ｂ…濃度プロファイル
４８…グラフ
５０ａ…概略濃度プロファイル
５０ｂ…概略濃度プロファイル
５２…グラフ
５４…グラフ
５５Ａ…モニタデバイス図
６０…摩耗モニタデバイス
６１ａ…隔離領域
６１ａ…絶縁領域
６１ｂ…隔離領域
６２…基板
６２…半導体基板
６３…誘電層
６４…基板
６５…介在領域
６６…第２のドープ領域
６６…第１のドープ領域
６７ａ…プロファイル
６７ｂ…プロファイル
６７ｃ…プロファイル
６７ｄ…プロファイル
６８…第２の電極
６８ａ…第１の電極
６８ｂ…第２の電極
６９…グラフ
７０…基準デバイス
７８ａ…第１の電極
７８ｂ…第２の電極
８０…領域
９０…摩耗モニタデバイス
１００ａ…摩耗モニタデバイス
１００ｂ…摩耗モニタデバイス
１０２ａ…第１のドープ領域
１０４ａ…第２のドープ領域
１０６ａ…濃度プロファイル
１０６ｂ…濃度プロファイル
１１０ａ…摩耗モニタデバイス
１１４ａ…第２の重ドープ領域
１１６ａ…第１の重ドープ領域
１２０ａ…摩耗モニタデバイス
１２４ａ…第１の重ドープ領域
１２４ｂ…第２の重ドープ領域
１３０ａ…摩耗モニタデバイス
１３０ｂ…摩耗モニタデバイス
１３２…半導体基板
１３２…ソース
１３４…ドレイン
１３５…ゲート誘電体
１３６ａ…ゲート
１３８ａ…初期チャネル領域
１３８ｂ…拡散チャネル領域
１４０ａ…中間モニタ構造
１４０ｂ…摩耗モニタデバイス
１４２…基板
１４４…第１のドープ領域
１４５…介在領域
１４６…第２のドープ領域
１４８ａ…層
１４８ｂ…電極
１４９…接着層
１４９…介在層
１５０ａ…構成
１５０ｂ…構成
１５０ｃ…構成
１５０ｄ…構成
１５２…基板
１５４ａ…第１のドープ領域
１５４ｂ…第１のドープ領域
１５４ｃ…第１のドープ領域
１５４ｄ…第１のドープ領域
１５５…ウェル
１５５ｂ…ウェル
１５６ｃ…コレクタ領域
１５６ｄ…コレクタ領域
１５８ａ…第１の電極
１５８ｂ…第１の電極
１５８ｃ…第１の電極
１５８ｄ…第１の電極
１６０ａ…摩耗モニタデバイス
１６０ｂ…摩耗モニタデバイス
１６０ｃ…摩耗モニタデバイス
１６０ｄ…摩耗モニタデバイス
１６０ｅ…摩耗モニタデバイス
１６０ｆ…摩耗モニタデバイス
１６３…誘電マスク
１６４ａ…第１のドープ領域
１６４ｂ…第１のドープ領域
１６４ｃ…第１のドープ領域
１６５…拡散ブロッキング層
１６７…スペーサ
１６８ａ…第１の電極
１６８ｂ…第１の電極
１６８ｃ…第１の電極
１６８ｄ…第１の電極
１６９ｅ…接着層
１６９ｆ…接着層
１６９ｇ…接着層
１７０ａ…摩耗モニタデバイス
１７０ｂ…摩耗モニタデバイス
１７４…第１のドープ領域
１７５…第２のドープ領域
１７６ａ…第３のドープ領域
１７６ｂ…第３のドープ領域
１７８ａ…第１の電極
１７８ｂ…第２の電極
１７８ｃ…第３の電極
１８０ａ…摩耗モニタデバイス
１８０ｂ…摩耗モニタデバイス
１８０ｃ…摩耗モニタデバイス
１８０ｄ…摩耗モニタデバイス
１８２…半導体基板
１８２…ソース
１８４…ドレイン
１８５…ゲート誘電体
１８６ａ…ゲート
１８６ｂ…ゲート
１８６ｃ…ゲート
１８６ｄ…ゲート
１８７ｃ…層
１８７ｄ…リザーバ層
１８９ａ…層
１８９ｂ…層
１９０ａ…摩耗モニタデバイス
１９０ｂ…摩耗モニタデバイス
１９０ｃ…摩耗モニタデバイス
１９０ｄ…摩耗モニタデバイス
１９１…グラフ
１９２…基準構造
１９３…不純物領域
１９４…モニタ構造
１９４ａ…モニタ構造
１９４ｄ…モニタ領域
１９５…障壁構造
１９５ｄ…障壁構造
１９６ａ…不純物領域
１９６ａ…モニタ構造
１９６ｂ…不純物領域
１９７…部分拡散障壁構造
１９８…基板
２００ａ…変換回路
２００ａ…パンチスルー摩耗モニタ変換回路
２００ｂ…閾値電圧（Ｖｔｈ）摩耗モニタ変換回路
２００ｃ…ダイオード順方向電圧摩耗モニタ変換回路
２０１ｂ…電流源
２０１ｃ…電流源
２０２…パンチスルーモニタデバイス
２０３…ダイオード
２０４…コンパレータ
２０７…ＶＴノード
２０８…トランジスタ
２１０ａ…変換回路
２１０ｂ…変換回路
２１２ａ…摩耗モニタデバイス
２１２ａ…摩耗モニタ
２１２ｂ…摩耗モニタ
２１４ａ…ノード
２１４ｂ…ノード
２１６…第１の増幅器
２１７…ノード
２１８ａ…第２の増幅器
２１８ａ…第１の増幅器
２２０ａ…ゲイン増幅器（ＰＧＡ）回路
２２０ｂ…ゲイン増幅器（ＰＧＡ）回路
２２０ｃ…電流−デジタルＡＤＣ変換回路
２２１ａ…摩耗モニタデバイス
２２１ｂ…基準デバイス
２２１ｃ…摩耗モニタデバイス
２２１ｄ…基準デバイス
２２１ｅ…摩耗モニタデバイス
２２２ａ…電流源
２２２ｂ…電流源
２２４…差動電圧モード容量性増幅器
２２６…差動電圧モード容量性増幅器
２３０ａ…トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）
２３０ｂ…トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）
２３０ｃ…トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）
２３２…増幅器
２３４…摩耗モニタデバイス
２３５…基準デバイス
２３６…基準デバイス
２４０…ＴＩＡ増幅器
２４０…トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）
２５０…寿命インジケータシステム
２５０ａ…摩耗モニタデバイス
２５０ｂ…摩耗モニタデバイス
２５２ａ…摩耗モニタデバイス
２５２ｂ…摩耗モニタデバイス
２５５…タイマ
２５６…共通プロセッサ
２５６…プロセッサ
２５７ａ…制限アラート
２５７ｂ…制限アラート
２５８…メモリ
２６０…モニタシステム
２６０…ミッションプロファイルモニタシステム
２６０…システム
２７０…概略時間発展曲線
２７０…時間発展曲線
２７２…ガードバンディング割当量
２８０…グラフ
２９０…ＩＣ装置
２９１…摩耗モニタデバイス
２９２…基準デバイス
２９４…検知回路
２９５…検知回路
２９６…無線通信モジュール
２９８…エネルギー採取コンポーネント
３００ａ…摩耗モニタデバイス
３００ｂ…摩耗モニタデバイス
３００ｃ…摩耗モニタデバイス
３００ｄ…摩耗モニタデバイス
３０２…基板
３０４…拡散障壁
３０６ａ…層
３０６ｂ…層
３０６ｃ…層
３０８…腐食層
３０８ａ…酸化層
３０８ａ…腐食層
３０８ｂ…腐食層
３０８ｂ…層
３０８ｃ…酸化層
３０８ｄ…腐食層
３１０ａ…配列
３１２…基板
３１４…拡散障壁
３１６…接続
３１８…摩耗モニタデバイス
３２０…対
３２２…モニタデバイス
３２４…基準デバイス
３２８…配列
３３０ａ…配列
３３０ｃ…配列
３３１ａ…対
３３１ｂ…対
３３２…基板
３３３…開口
３３４…拡散障壁
３３６…接続部
３３７ａ…パッシベーション層
３３７ｃ…ブランケットパッシベーション層
３３７ｃ…パッシベーション層
３３８…モニタデバイス
３３８ａ…モニタデバイス
３３８ｂ…モニタデバイス
３３９ａ…基準デバイス
３３９ｂ…基準デバイス
３４０…システム
３４２…基板
３４２…ダイ
３４４…オーバーモールド化合物
３４６…コア回路デバイス
３４８…摩耗モニタデバイス
３４８…モニタデバイス
３５０ａ…ＥＳＤ検出回路
３５０ｂ…ＥＳＤ検出回路
３５２…第１のＥＳＤ保護デバイス
３５４…第２のＥＳＤ保護デバイス
３５５…抵抗器
３５６…検出回路
３５７…ヒューズ
３６０…ＥＳＤ保護デバイス
３６１…ＥＳＤデバイス
３６２…アノード
３６４…カソード
３６６…結合パッド
３６７…ヒューズ
３６８…ＥＳＤデバイス
３６９…ＥＳＤデバイス
３６９…円形ＥＳＤデバイス
３７０ａ…垂直統合システム
３７０ｃ…垂直統合システム
３７１…腐食モニタデバイス
３７２…記憶チップ
３７３…マイクロエレクトロメカニカルセンサ（ＭＥＭＳ）
３７５…開口（または開口、導管、もしくは経路）
３７６…ワイヤボンディング
３７７…貫通シリコンビア（ＴＳＶ）
３７８…包装材料（または障壁もしくは封入剤）
３７９…キャビティ
３８０ａ…摩耗モニタデバイス
３８０ｂ…モニタデバイス
３８０ｃ…摩耗モニタデバイス
３８０ｄ…摩耗モニタデバイス
３８０ｅ…摩耗モニタデバイス
３８２…基板
３８２…可撓性基板
３８３…可撓性基板
３８４ａ…ドープ領域
３８４ｂ…ドープ領域
３８４ｃ…ドープ領域
３８４ｄ…第１のドープ領域
３８４ｅ…第１のドープ領域
３８６ａ…空乏領域
３８６ｂ…空乏領域
３８６ｃ…空乏領域
３８６ｄ…第２のドープ領域
３８６ｅ…第２のドープ領域
３９０ａ…摩耗モニタデバイス
３９０ａ…モニタデバイス
３９０ａ…デバイス
３９０ｂ…基準デバイス
３９２ａ…下部鋸歯状構造
３９２ｂ…下部鋸歯状構造
３９３ａ…下部領域
３９３ｂ…下部領域
３９４…介在構造
３９５…介在構造
３９６…フィールド増強領域
３９８…格子欠損
４００…摩耗モニタデバイス
４０１ａ…隔離領域
４０１ｂ…酸化物（ボックス）層
４０８ａ…第１の電極
４０８ｂ…第２の電極
４１０Ａ…グラフ
４１０Ｂ…グラフ
４１０Ｃ…グラフ
４１２…電流−電圧（ＩＶ）曲線
４１２ａ…第１の接着層
４１２ｂ…第２の接着層
４１６ａ…ＩＶ曲線
４１６ｂ…ＩＶ曲線
４１６ｃ…ＩＶ曲線
４１６ｄ…ＩＶ曲線
４１６ｅ…ＩＶ曲線
４１８…ＩＶ曲線
４２０Ａ…チャート
４２０Ｂ…チャート
４２０Ｃ…等高線図
４２２…プロット
４２４…リザーバ
４２４…プロット
４２６…プロット
４３０…摩耗モニタデバイス
４３０Ａ…摩耗モニタデバイス
４３３…リザーバ
４３４…共通リザーバ
４３４−Ａ１…専用リザーバ
４３４−Ａ１…リザーバ
４３４−Ａ２…専用リザーバ
４３４−Ａ２…リザーバ
４３４−Ａ３…リザーバ
４３８…障壁
４３８−Ｂ…障壁
４３８−Ｂ１…障壁
４３８−Ｂ２…障壁
４３８−Ｂ３…障壁
４４０Ａ…エネルギー空間図
４４０Ｂ…エネルギー空間図
４５０…基板
４５０…半導体基板
４５０…エネルギー空間図
４５４ａ…第１の重ドープ領域
４５４ｂ…第２の重ドープ領域
４５８…第１のドープ領域
４６０…エネルギー空間図
４６２…層（ＮＢＬＹ）領域
４６３…誘電層
４６４…リザーバ
４６８…障壁
４７０…摩耗モニタデバイス
４８０…摩耗モニタデバイス
４９０…摩耗モニタデバイス
４９０ｃ…電流密度分布
４９０ｄ…熱分布
４９０ｅ…衝撃イオン化分布
４９０ｆ…電位勾配分布
４９２…電気パルス
５００…摩耗モニタデバイス
５０４…電流供給トランジスタ
５１０Ａ…摩耗モニタデバイス
５１０Ｂ…摩耗モニタデバイス
５２０…摩耗モニタデバイス
５３０…摩耗モニタデバイス
５４０…摩耗モニタデバイス
５４４…モニタ領域
５４６…凹領域
５４８…永久的拡散障壁
５５０−１…モニタリング構造
５５０−２…モニタリング構造
５５０−３…モニタリング構造
５５０Ａ…摩耗モニタデバイス
５５０Ｂ…摩耗モニタデバイス
５５０Ｃ…摩耗モニタデバイス
５５２−１…モニタ領域
５５２−２…モニタ領域
５５２−３…モニタ領域
５５４…測定構造
５６０…摩耗モニタデバイス
５６０Ａ…摩耗モニタデバイス
５６０Ｂ…摩耗モニタデバイス
５６０Ｃ…等価回路図
５６０Ｄ…摩耗モニタデバイス
５６０Ｅ…摩耗モニタデバイス
５６２…モニタ領域
５６２−１…モニタ領域
５６２−２…モニタ領域
５６４−１…モニタリング領域
５６４−２…モニタリング領域
５６６−…電気接点
５６６−１…電気接点
５６６−２…電気接点
５６８…検知回路
５６８−１…セット
５６８−２…セット
５７０…摩耗モニタデバイス
５７２…ワイヤボンディング
５８０…摩耗モニタデバイス
５８２−１…ワイヤボンディング
５８２−２…ワイヤボンディング
５９０…パッケージレベルシステム
５９２Ａ…摩耗モニタデバイス
５９２Ｂ…摩耗モニタデバイス
５９２Ｃ…摩耗モニタデバイス
６００…システム
６００Ａ…摩耗モニタデバイス
６００Ｂ…摩耗モニタデバイス
６０２Ａ…摩耗モニタデバイス
６０２Ｂ…摩耗モニタデバイス
６１０…ボードレベル統合システム
６１２Ａ…摩耗モニタデバイス
６１２Ｂ…摩耗モニタデバイス
６１４…走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像
６２０…摩耗モニタデバイス
６２２…第１の基準電極
６２４…第２の基準電極
６２６…永久的拡散障壁
６２８…酸化シリコン
６２９…検知回路
６３０…耐摩耗モニタデバイス
６３２ａ…検知回路
６３２ｂ…検知回路
６３２ｃ…検知回路
６３４…電流源
６３５…アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）
６３６…ギャップ電極
６４０…濃度プロファイル
６４２…温度時間プロット
６４４…濃度プロファイル
６４６…温度−時間プロット
６５０…概略グラフ
６５２…濃度プロファイル
６６０…温度摩耗モニタデバイス
８４０…摩耗モニタデバイス
８４４…電極
９５０…検知回路
９５２…モニタダイオード
９６０…基準回路
９６２…基準ダイオード
１０２０…第１の領域
１０２２…モニタ原子
１０２２…ドーパント材料
１０２４…上側表面
１０３０…第２の領域
１０３２…絶縁層
１０３２…層
１０４０…基板
１０５０…電圧源
１０５２…第１の電極
１０５４…電極
１０６０…トレンチ
１０７０…領域
１０７２…領域
１０８０…ブロック
１０８２…領域
１０８３…濃度
１０８３ｃ…濃度
１０８５…第４の（さらに低減された）濃度
１０８５…第４の濃度
１０８７…第４の濃度
１０８８…第６濃度
１１００…電極
１１００ａ…高ドープ領域
１１０１…電極
１１０２…電極
１１０３…電極
１１０４…電極
１１０５…電極
１１０６…電極
１１０７…電極
１１０８…電極
１１０８ａ…高ドープ領域
１１１０…Ｐ型材料
１１１０…Ｐ型ウェル
１１１２…接点
１１１３…ドープ領域
１１１５…パッシベーション層
１１１６…接点
１１２０…トランジスタ
１１２２…トランジスタ
１１２４…トランジスタ
１１２６…トランジスタ
１１２８…トランジスタ
１１３０…トランジスタ
１１３２…トランジスタ
１１３４…トランジスタ
１１３６…トランジスタ
１１３８…トランジスタ
１１４０…トランジスタ
１１４２…トランジスタ
１１４４…トランジスタ
１１４６…トランジスタ
１１４８…トランジスタ
１１５０…トランジスタ
１１５２…トランジスタ
１１５４…トランジスタ
１１５６…トランジスタ
１１５８…トランジスタ
１２００…カンチレバー
１２０２…最上層
１２０４…最下層
１２１０…制御接触部
１２２２…ドーパント
１２５０…マルチプレクサ
１２７０…差動増幅器
１２８０…基準デバイス
１２９０…デジタル−アナログ変換器
１３００…データプロセッサ
１３０２…出力
１３２０…特殊ダイ
１３２２…機能回路
１３２４…チップスケールパッケージ
１３３２…第１のチャネル
１３３４…第２のチャネル
１３３６…第３のチャネル
１３３６…濃度チャネル
１３６０…アパーチャ
１３８０…領域
１４００…半導体
１４１０…電極
１４２０…電極
１４５０…センサノード
１４５４…（センサノードの能力に応じて）上流システム
１５０１…ロードバランサ
１５０２…ネットワーク伝送
１５０４…システムコントローラ
１５０５…処理エンジン
１５０６…ノードマネージャ
１５０８…データベース
１５０９…プライベートサーバ
１５１０…イベントマネージャ
１６０３…物理接続
１６０４…短距離無線プロトコル
１６０５…プロキシサーバ
１６１２…スニーカーネットデバイス
２６０２…ミッションプロファイル
２６０４…オンチップ摩耗センサ
２６０６…温度プロファイル
２６０８…出力データ
２６１０…湿度プロファイル
２６１２…メモリ構成要素
２６１４…電流プロファイル
２６１６…ミッションプロファイル
２６１８…励起プロファイル
２６２０…第１のコンパレータ
２６２２…振動プロファイル
２６２４…第２のコンパレータ
２６２６…寿命プロファイル
２６２８…信号プロセッサ
２６３０…メモリ構成要素
２６３２…電気オーバーストレス（ＥＯＳ）モニタ
２６３４…物理モデル
２６３６…ＤＬＲモデル化モジュール
２６４０…モデル化モジュール
２６４４…フィードバックループ
２６４８…冗長プロトコル
２６５２…通信モジュール
３５４４…第２のＥＳＤ保護デバイス
２６２６２…ＦｕＳａ ＩＳＯ

Claims (37)

  1. 摩耗モニタデバイスから分離されたコア回路の摩耗の指標を記録するように構成された前記摩耗モニタデバイスを備える集積回路デバイスであって、前記指標は、前記コア回路の前記摩耗を引き起こす摩耗応力に応答して、前記摩耗モニタデバイス内の拡散物質の局所的な拡散と関連し、
    前記摩耗モニタデバイスは、
    前記拡散物質を含むリザーバと、
    前記摩耗応力が前記拡散物質を前記リザーバから拡散領域へと拡散させるように前記リザーバと連通する前記拡散領域と、を備える、集積回路デバイス。
  2. 前記拡散物質は、前記拡散領域において０．７５ｅＶ〜２．５ｅＶの拡散活性化エネルギーを有する、請求項１に記載の集積回路デバイス。
  3. 前記拡散物質は、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、硫黄（Ｓ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）からなる群から選択される１つ以上の元素を含む、請求項１または２に記載の集積回路デバイス。
  4. 前記リザーバは、基板の表面において形成され、前記リザーバは、前記摩耗モニタデバイスの第１の電極として機能し、前記摩耗モニタデバイスは、前記表面において、かつ前記リザーバとは、異なる材料で形成される、第２の電極をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の集積回路デバイス。
  5. 前記摩耗モニタデバイスに電気的に接続され、前記拡散領域への前記拡散物質の前記局所的な拡散に応答して変化する電気特性を検出するように構成された検知回路をさらに備える、請求項１〜４のいずれかに記載の集積回路デバイス。
  6. 前記摩耗モニタデバイスは、前記摩耗の指標を記録する前に、刺激によって起動されるように構成される、請求項１〜５のいずれかに記載の集積回路デバイス。
  7. 前記摩耗モニタデバイスに接続され、かつ前記刺激を供給するように構成された制御回路をさらに備え、前記刺激は、電圧刺激または電流刺激のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の集積回路デバイス。
  8. 前記拡散物質の拡散のためのエネルギー障壁を有する物理的障壁が、前記リザーバと前記拡散領域との間に配設され、前記物理的障壁は、前記エネルギー障壁が前記摩耗モニタデバイスを起動させるための前記刺激に応答して低減されるように構成される、請求項７に記載の集積回路デバイス。
  9. 前記摩耗モニタデバイスは、前記コア回路の摩耗の指標を記録するように各々が構成された複数のモニタ構造を備える、請求項５〜８のいずれかに記載の集積回路デバイス。
  10. 前記モニタ構造のうちの異なる構造は、前記コア回路の摩耗の指標を記録する前に、異なる刺激によって起動されるように構成されている、請求項９に記載の集積回路デバイス。
  11. 前記モニタ構造のうちの異なる構造は、異なって構成されたリザーバを有する、請求項９〜１０のいずれかに記載の集積回路デバイス。
  12. 前記摩耗応力が基板の原子を前記基板から前記拡散領域へと拡散させるように、前記基板の原子は、前記拡散物質として機能する、請求項１〜５のいずれかに記載の集積回路デバイス。
  13. 前記摩耗モニタデバイスは、第１の方向において前記拡散領域に電界を印加するように構成され、前記拡散物質は、内部に拡散した拡散物質を有する前記拡散領域に前記電界が印加されるとき、前記電界が前記第１の方向に前記拡散物質をさらに拡散させるように、前記拡散領域において拡散されたとき電荷状態を有する、請求項１に記載の集積回路デバイス。
  14. 前記拡散領域および前記リザーバは、前記第１の方向と異なる第２の方向において近接して配設され、前記摩耗応力が前記拡散物質を前記第２の方向に拡散させるように構成される、請求項１３に記載の集積回路デバイス。
  15. 複数の導電構造は、前記第１の方向に沿って前記拡散領域の表面上に形成され、複数の位置における前記拡散領域への電気アクセスを提供する、請求項１３〜１４のいずれかに記載の集積回路デバイス。
  16. 前記摩耗モニタデバイスは、前記摩耗応力が前記拡散物質を前記リザーバから離れて前記拡散領域中に拡散するように構成され、前記拡散物質は、前記拡散領域に拡散されるとき電荷状態を有し、前記摩耗モニタデバイスは、内部に拡散した拡散物質を有する前記拡散領域に電界が印加されるとき、前記電界が前記リザーバに向けて前記拡散物質を拡散させるように、前記拡散領域に前記電界を印加するようにさらに構成される、請求項１に記載の集積回路デバイス。
  17. 前記摩耗モニタデバイスは、内部に拡散した拡散物質を有する前記拡散領域に前記電界が印加されるとき、濃度勾配の増加方向に前記電界が前記拡散物質を拡散させるような大きさを有する前記電界を印加するように構成される、請求項１６に記載の集積回路デバイス。
  18. 集積回路デバイスにおけるコア回路の摩耗モニタ機能を有する集積回路デバイスであって、
    コア回路の摩耗の指標を記録するための手段であって、前記指標が、前記コア回路の摩耗を引き起こす摩耗応力に応答して記録するための前記手段内の拡散物質の局所的な拡散と関連する、手段と、
    前記コア回路の前記摩耗の指標を検出するための手段であって、前記摩耗の指標を記録するための前記手段と通信している手段と、を備え、
    記録するための前記手段は、
    前記拡散物質を含むリザーバと、
    前記摩耗応力が前記拡散物質を前記リザーバから拡散領域へと拡散させるように前記リザーバと連通する前記拡散領域と、を備える、集積回路デバイス。
  19. 摩耗モニタを有する集積回路デバイスであって、
    コア回路と、
    前記コア回路が起動されているかどうかにかかわらず、前記コア回路の摩耗の指標を調整するように構成された摩耗モニタデバイスと、
    前記摩耗モニタデバイスと関連する電気特性を検出するように構成された検知回路であって、前記電気特性が、前記コア回路の前記摩耗を示す、検知回路と、を備え、
    前記摩耗モニタデバイスは、基板と、前記基板に拡散するように構成されたモニタ原子と、を備え、前記基板内の前記モニタ原子のドーピングプロファイルは、前記コア回路の摩耗を示す、集積回路デバイス。
  20. 前記モニタ原子は、前記基板において０．７５ｅＶ〜２．５ｅＶの拡散活性化エネルギーを有する、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
  21. 前記モニタ原子は、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、硫黄（Ｓ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）からなる群から選択される１つ以上の元素を含む、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
  22. 前記コア回路および前記摩耗モニタデバイスは、半導体材料で形成された共通基板である基板内に形成され、ならびに、前記モニタ原子が前記コア回路中に拡散せずに摩耗応力下で前記摩耗モニタデバイス中に残存するように構成される、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
  23. 前記摩耗モニタデバイスは、前記基板の表面上に形成された前記モニタ原子のリザーバを備え、前記リザーバは、前記摩耗モニタデバイスの第１の電極として機能し、前記摩耗モニタデバイスは、前記第１の電極とは、異なる材料で形成される、前記表面上の第２の電極をさらに備える、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
  24. 前記基板は、前記モニタ原子のための拡散媒体として半導体材料を含む、請求項２３に記載の集積回路デバイス。
  25. 前記摩耗モニタデバイスは、ＰＮ接合部を備え、前記リザーバは、前記ＰＮ接合部のｐ−ドープ領域または、ｎ−ドープ領域のうちの一方と物理的に接触し、前記第２の電極は、前記ｐ−ドープ領域または、前記ｎ−ドープ領域のうちの他方と電気的に接触する、請求項２４に記載の集積回路デバイス。
  26. 前記電気特性は、前記ＰＮ接合部の逆バイアス電流を含む、請求項２５に記載の集積回路デバイス。
  27. 前記摩耗モニタデバイスは、互いから分離されて第１のドープ領域と第２のドープ領域との間のバイアスの下にパンチスルーするように構成された前記第１のドープ領域および前記第２のドープ領域を備え、前記第１のドープ領域および前記第２のドープ領域は、逆導電型を有し、前記モニタ原子は、前記バイアスの下、前記第１のドープ領域から前記第２のドープ領域に向かって拡散するように構成される、請求項２４に記載の集積回路デバイス。
  28. 前記第２のドープ領域は、前記半導体材料の表面で形成される前記第１のドープ領域から垂直に分離される埋め込まれた領域である、請求項２７に記載の集積回路デバイス。
  29. 前記第１のドープ領域および前記第２のドープ領域は、前記半導体材料の表面領域で形成され、互いに横方向に分離される、請求項２７に記載の集積回路デバイス。
  30. 前記摩耗モニタデバイスは、チャネル領域によって互いから分離されたソース領域およびドレイン領域を備える電界効果トランジスタを備え、バイアスの下、前記モニタ原子は、前記ソース領域または、前記ドレイン領域のうちの一方から前記ソース領域または、前記ドレイン領域のうちの他方へ向かって前記チャネル領域内に拡散するように構成される、請求項２４に記載の集積回路デバイス。
  31. 前記検知回路に連結された基準デバイスをさらに備え、前記検知回路は、前記摩耗モニタデバイスの前記電気特性と前記基準デバイスの対応する電気特性との比較に基づいて摩耗の指標を提供するように構成される、請求項２４に記載の集積回路デバイス。
  32. 前記基準デバイスは、前記モニタ原子を有する前記摩耗モニタデバイスの対応する電極とは、異なる材料で形成された少なくとも１つの電極を有するが、前記摩耗モニタデバイスと同じ種類のデバイスを備える、請求項３１に記載の集積回路デバイス。
  33. 前記モニタ原子は、摩耗応力が前記基板に拡散する前記モニタ原子の速度の変化を引き起こすように構成される、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
  34. 前記摩耗モニタデバイスは、ｐ−ドープ領域およびｎ−ドープ領域を備え、前記ｐ−ドープ領域は、前記モニタ原子とは異なるｐ型ドーパントを含み、前記ｎ−ドープ領域は、前記モニタ原子とは異なるｎ型ドーパントを含む、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
  35. 前記摩耗の指標は、熱応力、電圧応力、または、電流応力のうちの１つ以上を示す、請求項１９に記載の集積回路デバイス。
  36. 摩耗モニタを有する集積回路デバイスであって、
    コア回路と、
    基板中の拡散材料のドーピングプロファイルとして、前記コア回路の摩耗を記録するための手段と、
    前記コア回路の摩耗の指標を検出するための手段であって、前記摩耗を記録するための手段が、前記摩耗の指標を記録するための前記手段と通信している、手段と、を備える、集積回路デバイス。
  37. 前記拡散材料は、前記基板において０．７５ｅＶ〜２．５ｅＶの拡散活性化エネルギーを有する、請求項３６に記載の集積回路デバイス。
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