JPH09102583A - 半導体装置及び駆動方法 - Google Patents

半導体装置及び駆動方法

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JPH09102583A
JPH09102583A JP25900995A JP25900995A JPH09102583A JP H09102583 A JPH09102583 A JP H09102583A JP 25900995 A JP25900995 A JP 25900995A JP 25900995 A JP25900995 A JP 25900995A JP H09102583 A JPH09102583 A JP H09102583A
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JP
Japan
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transistor
semiconductor device
characteristic variation
circuit
substrate current
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JP25900995A
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English (en)
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Michitaka Kubota
通孝 窪田
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】モニタ用トランジスタの特性変動が回路用トラ
ンジスタの特性変動より早すぎず、かつ確実に回路用ト
ランジスタが特性変動する前に他のブロックに切り替え
ることが可能な半導体装置及び駆動方法を提供する。 【解決手段】特性変動モニタ用トランジスタMTrとし
て、該半導体装置の回路用トランジスタTrの基板電流
より大きな基板電流を有するものを使用する。具体的に
は、半導体装置を(100)面ウエハに形成し、回路用
トランジスタTrのチャネル方向を<110>方向又は
これと等価の方向とし、特性変動モニタ用トランジスタ
MTrのチャネル方向を<110>方向又はこれと等価
の方向と異なる方向、特に<001>方向とする。モニ
タ用トランジスタの特性が変化したときに、他の半導体
ブロックに切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、MOSトランジス
タのホットキャリアなどによる特性変動を予め検出し、
予備の半導体ブロックに切り替えることができる半導体
装置及び駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体素子の微細化に伴い、ホッ
トキャリア効果に代表されるトランジスタの特性変動は
深刻な問題となってきている。このホットキャリア効果
は、ドレイン近傍の大きな電界のために高エネルギーの
電子が発生し、この電子がゲート酸化膜に捕獲されてし
きい電圧を上げるもので、これにより回路の誤動作が生
じる。
【0003】このホットキャリア効果を抑制するため
に、LDD構造などの特性変動がおきにくい構造が提案
され、効果をあげているが、実際に基準値以上に特性が
変動すると、当然ながらそのトランジスタを含む半導体
装置は不良となってしまう。このため、半導体装置を適
当にいくつかのブロックに分割し、各々のブロックにモ
ニタ用トランジスタを設け、モニタ用トランジスタが基
準値以上に特性が変動した場合は、予備ブロックに切り
替えることが考えられる。
【0004】ところで、そのモニタ用トランジスタとし
て、半導体装置の回路用トランジスタと全く同じでは、
ばらつきにより、モニタトランジスタよりも特性変動が
大きいものが存在するので、多数のトランジスタの特性
変動のばらつきを確実にモニタできないという問題があ
る。
【0005】このため、モニタ用トランジスタは、例え
ばLDD構造をとらずに特性変動が起こりやすくするこ
とが考えられる。このようにすれば、ブロック中のトラ
ンジスタが不良になる前に確実にブロックを切り替える
ことができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では、モニタ用トランジスタの特性変動が早すぎて、
全てのトランジスタの特性がほとんど変動していないの
にブロックを切り替えることになってしまい、無駄が多
すぎることになる。
【0007】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、モニタ用トランジスタの特性変動が回路用トランジ
スタの特性変動より早すぎず、かつ確実に回路用トラン
ジスタが特性変動する前に他のブロックに切り替えるこ
とが可能な半導体装置及び駆動方法を提供することを目
的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、次の半導体装置を提供する。 (1)特性変動モニタ用トランジスタを搭載した半導体
装置であって、該特性変動モニタ用トランジスタが該半
導体装置の回路用トランジスタの基板電流より大きな基
板電流を有することを特徴とする半導体装置。 (2)モニタ用トランジスタの基板電流が回路用トラン
ジスタの基板電流の1.1〜2倍である上記(1)記載
の半導体装置。 (3)モニタ用トランジスタの基板電流が回路用トラン
ジスタの基板電流より大きくなるように、これらのトラ
ンジスタの基板面での結晶方向に対するチャネル方向を
選択してなる上記(1)記載の半導体装置。 (4)半導体装置が(100)面ウエハに形成され、回
路用トランジスタのチャネル方向が<110>方向又は
これと等価の方向であり、特性変動モニタ用トランジス
タのチャネル方向が<110>方向又はこれと等価の方
向と異なるものである上記(3)記載の半導体装置。 (5)特性変動モニタ用トランジスタのチャネル方向が
<001>方向又はこれと等価の方向である上記(4)
記載の半導体装置。 (6)特性変動モニタ用トランジスタを搭載した第1半
導体ブロックと、該半導体ブロックから切り替えるべき
1つ以上の第2半導体ブロックと、該特性変動モニタ用
トランジスタが特性変動を検知したときに第1半導体ブ
ロックから第2半導体ブロックへ切替える切替手段とを
有することを特徴とする半導体装置。 (7)特性変動モニタ用トランジスタを搭載した第1半
導体ブロックを作動させると共に、モニタ用トランジス
タにも同じストレスを印加する工程と、該特性変動モニ
タ用トランジスタが特性変動を検知したときに第1半導
体ブロックから第2半導体ブロックへ切り替える工程と
を有することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【0009】本発明の半導体装置は、MOSトランジス
タのホットキャリア耐性が基板電流に強く依存し、基板
電流が大きいMOSトランジスタは、寿命が短いことを
利用したもので、モニタ用トランジスタとして、半導体
装置の回路用トランジスタより基板電流の大きいトラン
ジスタを用いたものである。
【0010】これにより、基板電流が大きいだけでその
回路用特性はほぼ同じモニタ用トランジスタを用い、回
路用トランジスタと同じ動作を与えれば、回路用トラン
ジスタの特性変動前に、確実にモニタ用トランジスタの
特性変動が生じると共に、基板電流の値から寿命の予測
が可能であるので、早すぎた切替となることも可及的に
防止することができる。
【0011】この場合、基板の結晶の方位により基板電
流が異なるので、これを利用してモニタ用トランジスタ
のチャネル方向を回路用トランジスタのチャネル方向と
異ならしめて、回路用トランジスタより基板電流の大き
なモニタ用トランジスタを確実に形成することができ
る。
【0012】具体的には、(100)面に形成されたト
ランジスタのチャネル方向が<001>方向の場合、<
110>方向より基板電流のみ1〜2倍程度大きいの
で、モニタ用トランジスタのチャネル方向を、<001
>方向とし、回路用トランジスタのチャネル方向を<1
10>方向又はこれと等価の方向とすることで、モニタ
用トランジスタの寿命を回路用トランジスタより短くで
き、確実にモニタとしての機能を果たさせることができ
る。
【0013】そして、このような特性変動モニタ用トラ
ンジスタを搭載した第1半導体ブロックを作動させると
共に、モニタ用トランジスタにも同じストレスを印加
し、該特性変動モニタ用トランジスタが特性変動を検知
したときに第1半導体ブロックから第2半導体ブロック
へ切り替えることにより、半導体装置の特性変動を確実
に防止することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て具体的に説明する。図1は本発明にかかる半導体装置
の一ブロックを構成するモニタ用トランジスタMTrと
その回路用トランジスタTrのそれぞれのチャネル方向
を示す概略図である。
【0015】この半導体装置は、(100)面のウエハ
に形成されている。MOSでは通常のウエハ面である。
(100)面のウエハの結晶方向は、図2に示すよう
に、<011>方向又はこれと等価な方向(例えば<1
10>方向など)は90°の角度をなし、<001>方
向は<011>方向と45°の角度をなす。
【0016】トランジスタTrは、ゲート電極Gとソー
ス・ドレイン拡散層DRで構成され、そのチャネル方向
は、<110>方向又はそれと等価な方向に形成されて
いる。これらの<110>方向又はこれと等価な方向間
の何れの角度においても、ドレイン電流などのトランジ
スタ特性は等しい。
【0017】本発明においては、モニタ用トランジスタ
MTrのチャネル方向θは、これらの<011>方向と
異なる方向に向けてある。ここで、(100)面上にお
けるチャネル方向を<011>方向又は<110>方向
から傾けると、チャネル方向により基板電流Isubが
変化するが、ドレイン電流は不変である。イオン化率に
異方性が存在する。そして、そのイオン化率は<011
>方向から45°の方向、つまり<001>方向が最も
大きくなる。図3に示すように、(001)面ウエハに
おける<001>方向と<011>方向のIsubの比
(Isub<001> /Isub<011> )を<011>方向
のイオン化率(Isub/Id)を横軸としてプロット
すると、バイアス条件によらず室温で1.3〜2の範囲
をとる。
【0018】一方、トランジスタのホットキャリア耐性
は、その基板電流の大きさに強く依存することが知られ
ている。基板電流の最大値をIbmaxとすると、トラ
ンジスタの寿命τとの間には、おおよそ次式(1) τ〜α・(Ibmax)-s …(1) の関係が成立することが知られている。ここで、αは常
数、sは約3である。
【0019】そこで、モニタ用トランジスタとして好適
なのは、基板電流以外のトランジスタ特性は回路に使用
されているトランジスタと同じで、基板電流が「少し」
大きいものとなる。「少し」という意味は、回路トラン
ジスタより確実に寿命が短いが、あまり短くなりすぎな
いような基板電流ということで、基板電流でいえば数分
の一程度である。
【0020】上記(1)式から、基板電流が2倍になる
と寿命は約1/8になるので、基板電流が回路トランジ
スタの1.1〜2倍であることが望ましいということに
なる。上述したように、(100)面上のチャネル方向
が<001>方向のトランジスタはまさにこの条件を満
たしている。即ちチャネル方向が<001>方向のトラ
ンジスタは、<110>方向のトランジスタと比べて、
基板電流のみ1.3〜2倍程度大きい。従って、回路用
トランジスタのチャネル方向が<110>方向又はこれ
と等価な方向とし、モニタ用トランジスタのチャネル方
向が<001>方向にすれば、モニタ用トランジスタの
寿命を回路用トランジスタより短くでき、確実にモニタ
としての機能を果たさせることができる。
【0021】図4に本発明の半導体装置の一形態を示す
ブロック図を示す。このブロック図では第1〜第3半導
体ブロックの3つのブロックを示してある。これらのブ
ロックはそれぞれ切り替え回路を介して駆動される。各
々のブロックにはそれぞれモニタ用トランジスタと回路
用トランジスタが設けられ、モニタ用トランジスタには
回路用トランジスタと同じストレスが加わるように構成
されている。また、モニタ用トランジスタは特性検出回
路によって、常に特性変動が起こるか否かがモニタされ
ている。
【0022】モニタ用トランジスタの構造は、回路用ト
ランジスタと同じか、回路用トランジスタの中で最も寿
命が短いものと同じとすることが好ましい。なお、半導
体ブロックが2個の場合、始めに用いる半導体ブロック
以外の半導体ブロックには、モニタ用トランジスタは必
要ではない。
【0023】この半導体装置の駆動方法について、図5
のフローチャートで説明する。まず、第1の半導体ブロ
ックを選び、その第1の半導体ブロックのモニタ用トラ
ンジスタにも代表的な動作と同じストレスを与えるよう
にする。そして、モニタ用トランジスタの特性が基準値
内か否かを特性変動検出回路によって判定する。もしモ
ニタ用トランジスタの特性が基準値を超えた場合は、第
1のブロックは、まだ正常に作動するが、不良になるお
それがあるので、予備の半導体ブロックである第2の半
導体ブロックに切替回路により切り替える。そして、第
2の半導体ブロックのモニタ用トランジスタに代表的な
動作と同じストレスを与えるようにする。このようにし
て、用意した予備の半導体ブロックに次々に切り替えて
いく。
【0024】このように本例の半導体装置は、トランジ
スタの特性変動をモニタして、不良ブロックを予備ブロ
ックに切り替えることにより、半導体装置が不良になる
ことを回避できる。従って、信頼性が向上する。また、
モニタ用トランジスタとして、回路に使用されているト
ランジスタとドレイン電流は等しく、基板電流が1.1
〜2倍程度大きいトランジスタを用いているので、ホッ
トキャリアによる特性変動を回路のトランジスタより早
く、かつ早すぎることなく検知することができる。
【0025】なお、上記例では基板の方位を変えて基板
電流を変えたが、その他の方法によって基板電流を変え
ても良い。また、モニタ用トランジスタを回路用トラン
ジスタと45°の角度をなすようにしているが、モニタ
用トランジスタの基板電流が回路用トランジスタの基板
電流より大きければよく、適宜角度θを選定することが
できる。更に、上記例では(100)面のウエハを用い
たが、これに限られないことは勿論であり、その他本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更することができ
る。
【0026】
【発明の効果】本発明の半導体装置は、モニタ用トラン
ジスタの特性変動が回路用トランジスタの特性変動より
早すぎず、かつ確実に回路用トランジスタが特性変動す
る前に他のブロックに切り替えることが可能である。
【0027】本発明の半導体装置の駆動方法によれば、
半導体装置が不良になることを確実に防止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置における半導体ブロック中
の回路用トランジスタとモニタ用トランジスタとの配置
例を示した概念図である。
【図2】(100)面ウエハにおける<011>方向と
<001>方向を示した説明図である。
【図3】(001)面ウエハにおける<001>方向と
<011>方向のIsubの比(Isub<001> /Is
ub<011> )を<011>方向のイオン化率(Isub
/Id)を横軸としてプロットしたグラフである。
【図4】本発明の半導体装置の一形態を示すブロック図
である。
【図5】本発明の半導体装置を用いて半導体ブロックを
切り替える手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
MTr モニタ用トランジスタ Tr 回路用トランジスタ G ゲート電極 DR ソース・ドレイン拡散層

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】特性変動モニタ用トランジスタを搭載した
    半導体装置であって、 該特性変動モニタ用トランジスタが該半導体装置の回路
    用トランジスタの基板電流より大きな基板電流を有する
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】モニタ用トランジスタの基板電流が回路用
    トランジスタの基板電流の1.1〜2倍である請求項1
    記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】モニタ用トランジスタの基板電流が回路用
    トランジスタの基板電流より大きくなるように、これら
    のトランジスタの基板面での結晶方向に対するチャネル
    方向を選択してなる請求項1記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】半導体装置が(100)面ウエハに形成さ
    れ、回路用トランジスタのチャネル方向が<110>方
    向又はこれと等価の方向であり、特性変動モニタ用トラ
    ンジスタのチャネル方向が<110>方向又はこれと等
    価の方向と異なるものである請求項3記載の半導体装
    置。
  5. 【請求項5】特性変動モニタ用トランジスタのチャネル
    方向が<001>方向又はこれと等価の方向である請求
    項4記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】特性変動モニタ用トランジスタを搭載した
    第1半導体ブロックと、 該半導体ブロックから切り替えるべき1つ以上の第2半
    導体ブロックと、 該特性変動モニタ用トランジスタが特性変動を検知した
    ときに第1半導体ブロックから第2半導体ブロックへ切
    替える切替手段とを有することを特徴とする半導体装
    置。
  7. 【請求項7】特性変動モニタ用トランジスタを搭載した
    第1半導体ブロックを作動させると共に、モニタ用トラ
    ンジスタにも同じストレスを印加する工程と、 該特性変動モニタ用トランジスタが特性変動を検知した
    ときに第1半導体ブロックから第2半導体ブロックへ切
    り替える工程とを有することを特徴とする半導体装置の
    駆動方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100615290B1 (ko) * 2004-11-29 2006-08-25 삼성에스디아이 주식회사 평판표시장치
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JP2016161824A (ja) * 2015-03-03 2016-09-05 Nltテクノロジー株式会社 電子回路、走査回路及び表示装置並びに電子回路の寿命延長方法

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