JPS60103637A - 半導体集積装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は半導体集積装置に係シ、特に診断機能のつい
た半導体集積装置に関する。

〔発明の背景〕

半導体集積装置は、量産性を追求する一方で故障検出率
を１００チ近くにし信頼性をも高めなければならない。

一方、装置のゲート数が増大し数千乃至致方ゲートと集
積度が高くなると、テストパターンだけで検出率を上げ
るのは不可能に近く、何らかの診断用回路を設ける必要
がある。

診断用回路は、集積装置内部のフリップ７０ツ７”　ｆ
　マスタスレーブ型で構成し、各７リツプ７゜ツブ間を
シフトレジスタを構成する様に結線し、パッドから外部
データを順次久方し、また７リツプフロツプの内部デー
タを順次読出し故障の有無を判定する。

この種の従来装置は、例えば第１図又は第２図に示す様
である。

第１図は、Ｒ８フリップフロップ１９を含む半導体集積
装置を示すものであり、フリップフロップ１９は２人力
のナンドグー）２０．２１から成る。診断用回路は、２
ワイド２人力のアンド・ノアグー）２５．２６及びイン
バータ２７．２８をもって構成されている。グー）２５
．２６は論理動作用のセット端子ＳＯ１並びにリセット
端子ＲＯ１及び診断モード信号用端子２９．３０を有す
る。

ことで、端子２９０入力論理が論理「１」のときは通常
の論理動作を行う。一方、端子２９の入力論理が論理「
０」のときは、ゲート２５．２６の出力ＫＯ，ＳＯはそ
れぞれ端子３０．３０’の論理レベルとなシ、端子３０
に印加する信号によって診断可能である。すなわち、ゲ
ート２５゜２６はそれぞれ２人力のマルチプレクサとし
て動作し、端子２９の論理によって通常の論理入力と診
断用入力とを切換える。

以上の様なフリップフロップ素子をＣＭＯＳゲートで構
成した場合、２人力ナンドブート換算で７ゲートを必要
とする（以下、ゲート数は同一規準で換算する）。すな
わち、診断機能の々い２ゲートの７リツプフロツブ素子
１９に比べて５ゲート増加する。

第２図は他の従来装置を示すものである。

同図によれば、Ｄ型フリップフロップ１．２ワイド・２
人力のアンド・ノアゲート３．４、アンドゲート２、イ
ンバータ５、Ｄ型フリップフロッフ６、スリーステート
機能付のバッファ７によって装置は構成されている。

ここで、Ｄ型フリップフロップ１は、第３図に示す様で
あシ、３人力のナンドグー）３１．３２とこれらの出力
反転用インバータ３３，３４、並びにＤ入力、Ｔ入力制
御用の３人力のナンドグー）３５，３６、及びインバー
タ３７から成る。

このフリップフロップ１の真理値表は次の表１に示す様
である。

ζ以下＃叫 表　１ この様な構成は、フリップフロップの出力が接続されて
いる組合せ回路を経由して入力へ戻る〃−ブを形成する
こと全禁止し、またシフトレジスタを構成し易くする。

以上の様な構成によれば、診断モード信号用端子８に論
理「１」の入力信号が加えられたときは通常の論理動作
を行う。また、端子８の入力論理が論理「０」のとき、
端子９に与えられる診断用データ信号は端子１０のスト
ローブパルス信号に同期して、フリップフロップ１の入
力端子Ｓに入力される。

この従来装置によれば、フリップ７０ツブ素子のゲート
数は１３．５ゲートであシ、第３図の７リツプフロツプ
単体の場合よシロゲートも多い。しかも、診断のための
制御が複雑になるに従い、フリップフロップ１の入力端
に接続されるゲート数が増え、このゲートのファンイン
数も増えるため、フリップフロップ素子の応答速度も遅
くなってしまっていた。

以上から分かる様に、各種の診断回路が従来用いられて
いたが、この様な診断回路は回路全体の規模を大きくし
てしまい実質問女集積度を低下させてしまっていた。特
に、ゲートアレイ装置では最初からチップ全体のゲート
数が決っているので、この点は顕著である。

また、回路が複雑化するに伴い前述の様な応答速度の問
題も生じた。

尚、「ゲートアレイＪＬ８Ｉとは、集積回路を製造する
ときに用いる１０数枚のマスクのうち、配線に相当する
マスク枚数のみを開発品種に応じて作製して所望の電気
回路動作を有する集積回路′ｆｔ製造するものである。

この様な方法によれば、予め配線工程前までの工程を完
了したウェハをストックとして保持でき、製造に際して
の時間的及び経済的損失を大幅に削減できる。

〔発明の目的〕 この発明は、簡易小規模な診断用回路を有する半導体集
積装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、この発明は、組合せ回路及び
閉ループ接続を含むフリップ７０ツブ回路を有する半導
体集積装置において、前記フリップフロップの閉ループ
接続を切シこのフリップフロップの出力を高インピーダ
ンス状態とする第１の手段と、前記フリップ７０ツブの
入力信号を阻止する第２の手段と、故障診断時に前記第
１及び第２の手段を機能させ且つ前記フリップフロップ
に診断用信号を注入する第３の手段とを具える様にする
。

〔発明の実施例〕

以下、添付図面に従ってこの発明の詳細な説明・する。

尚、各図において同一の符号は同一の対象を示す。

第４図はこの発明の第１の実施例を示すものである。同
図（ａ）、　（ｂ＞はそれぞれ通常の論理動作モード及
び診断モードを示す。

装置は、フリップフロップを形成するゲート５０．５Ｌ
　２チヤンネルのマルチプレクサ５２、診断用制御回路
５３、及び制御用スイッチ５４゜５５を具えている。尚
、グー）５０．５１は前述の様に例えば２人力のナント
ゲートやノアゲートを用いる。

同図（ａ）で示す論理動作モードにおいては、診断用制
御回路５３によってセットタイミング信号５６が送出さ
れ、スイッチ５４がオン状態となる。

このとき、スイッチ５５はオフ状態にある。また、制御
信号５７によってマルチプレクサ５２は作動状態となる
。

このため、マルチプレクサ５２を介して与えられるセッ
ト信号Ｓ１及びリセット信号Ｒ１によって、装置は通常
の論理動作を行う。

一方、同図（ｂ）で示す診断モードにおいては、診断用
制御回路５３の出力信号ｌによってスイッチ５５が閉じ
る。このとき、信号５６によってスイッチ５４が開くと
共に、信号５７の作用によってマルチプレクサ５２は入
力信号Ｒ１，８１を遮断する。

ここで、診断用制御回路５３の出力端子５９から診断用
データ信号をグー）５０．５１で構成される閉ループ中
に転送する。次に、このループ中のレベルが確定した後
にセットタイミングを与える出力信号５６を論理「０」
に回復させることによシ、端子５９から与えられた診断
用データが７リツプフロツプ内に保持される。ただし、
このときマルチプレクサ５２を開かないのはもちろんの
ことである。

こうして、フリップフロップの出力端子Ｑｌ。

Ｑｌの状態を順次チェックすることによシ装置の故障診
断が可能である。

尚、以上の実施例は特定の７リツプフロツプに限定され
るものでなく、任意の型のものに適用で（９） きることは容易に理解されるであろう。

第５図はこの発明の第２の実施例を示すものであシ、第
４図の実施例の内容の一部を更に詳しく示している。

同図によれば、２人力のクロックドノアゲート７０．２
人力のノアゲート７１、アンドゲート７２．７３によっ
てＲ８型の７リツプフロツプが構成されておシ、診断用
制御回路の一部としてクロックドインバータ７４が設け
られている。

クロックドノアゲート７０及びクロックドインバータ７
４の具体的構成は、それぞれ第６図及び第７図に示す様
であシ、これらを説明しつつこの実施例の全体を明らか
にする。

クロックドアンド・ノアグー）７０．７２（第６図）は
、例えばＰＭＯ８トランジスタＰ１２゜ＰＩ３．ＰＩ３
．ＰＩ３並びＫＮＭＯ８）ランジスタＮ１２．Ｎ１３．
Ｎ１４．Ｎ１５、及びインバータ８１をもって構成され
ている。セットタイミング信号５６．ｌがゲートに入力
されているトランジスタＰｉ　５．Ｎｌ　２の存在を除
けば、スタ（１０） ティックなりロックドアンド・ノア回路と同様である。

ここで、信号５６が論理「０」のときのみトランジスタ
Ｐ１５．Ｎ１２はオン状態となり、２ワイド２人カッア
ゲートの論理動作に従う。

信号５６が論理「１」のときは、トランジスタＰｉ　５
．Ｎｌ　２はオフ状態となるので出力Ｑ１は高インピー
ダンス状態となシ、第４図のスイッチ５４が開いたのと
等価である。

一方、クロックドインバータ７４（第７図）はＰＭＯ８
）ランジスタＰ１０．Ｐ１１、並びにＮＭＯ８）ランジ
スタＮ１０．Ｎ１１及びインバータ８０から成る。

ここで、セットタイミング信号５６が論理「０」信号両
が論理「１」のときは、トランジスタｐＨ。ＮＩＯがオ
フ状態となるので、装置の出力Ｑ１は高インピーダンス
状態を保持する。

信号５６が論理「１」になると、トランジスタＰ１１．
Ｎ１０はオン状態となるため、装置の出力Ｑ１は診断デ
ータの読出しが可能となる。ただ（１１） し、入力データ５９の反転データとして送出される。す
なわち、インバータ７４のトランジスタＰ１１．Ｎ１０
が第４図のスイッチ５５と等価となっている。

尚、以上の診断機能付Ｒ，Ｓフリップフロップの真理値
表を示せば、次の表２の様である。

（以下糸４） （１２） （１３） また、この実施例と第４図の実施例とを比較すれば、第
５図のアントゲ−）７２．７３は第４図のマルチプレク
サ５２に対応し、クロックドノアゲート７０はゲート５
０とスイッチ５５に対応し、２人力のノアゲート７１は
ゲート５１に対応するものであシ、基本的動作に何らの
変更がないことは明らかである。

更に、第１図とのゲート数を比較すれば、３．５ゲート
であ、ｂ、ｓｏｗ以上の小型化が図られる。

第８図はこの発明の第３の実施例を示すものであ、ｂ、
ｎ、Ｓフリップフロップを有するものである。

このフリップフロップは、２人力のナンドグー）９０，
９１、オアゲート９２，９３、及びＮＭＯ８）ランジス
タＮ１６から成る。これを第４図の場合と比較すれば、
オアゲート９２．９３はマルチプレクサ５２に対応し、
２人力のナンドゲ−）９０．９１はそれぞれグー）５０
．５１に対応し、ＮＭＯＳトランジスタＮ１６はスイッ
チ５４に対応する。

この実施例によれば、診断モードに際してモード信号５
７を論理「１」とすると、セット信号炉１とリセット信
号π１を遮断する。このとき同時に、セットタイミング
信号「１が論理「０」となシ、トランジスタＮ１６がオ
フ状態となるため、診断データの注入が可能となる。

この実施例によれば、第５図の実施例に比べてＰＭＯ８
）ランジスタが一個少なく々ると共に、ゲート数も３と
従来のものに比べて５０ｑ６以上の小型が可能となる。

第９図はこの発明の第４の実施例を示すもので＄、９、
ＢＳ付り型フリップフロップに診断機能を付加した例を
示す。

このフリップフロップは、３人力のクロックドナントゲ
ート１０２．３人力のナントゲート１０本才アゲ−）１
０４，１０５．４人力のナンドグー）１００，１０１、
インバータ１０６，１０７゜１０８を具えている。また
、マスタスレーブ型とするために、Ｄ型フリップフロッ
プ６、スキャンデータを取出すためのスリースチートノ
（ツファ７、及びこの実施例特有の抵抗素子１０９が更
に設け（１５） られている。

診断モードは次の様にして実行する。

モード信号８を論理「０」とすると、セット信号「及び
リセット信号π７は、インバータ１０８の出力が論理「
１」となシ、オアグー）１０４゜１０５の出力が論理「
１」に固定されるため、阻止される。

同様に、４人力のナンドグー）１００．１０１の入力信
号８が論理「０」となるため、ナンドゲ−）１００，１
０１の出力は論理「１」に固定される。従って、信号Ｄ
／　、Ｔ／　も阻止されて診断モードとなる。

通常の論理モードは、信号８を論理「１」にするととに
よシ、信号ｓ／　、ｎｌ　、Ｔ／　、ｎｌが生きるため
、達成される。

他の機能及び動作は第２図の場合であるが、第２図の実
施例に比べて４ゲート少なくなる。

尚、この実施例で特に用いる抵抗素子１０９は、ゲート
電極に診断モード信号Ｍの反転信号が印加されるＮＭＯ
８）ランスファゲートから成るが、以（１６） 下この点について説明する。

通常の論理動作モード、すなわち論理Ｍ＝　ｒｔＪのと
きは、ゲート電極は論理「０」　（接地電位）であるの
で抵抗素子１０９はオフ状態にあｐ、インバータ１０６
の入力端子にクロックドインバータ７４の出力容量が信
号線１４に付加されることはない。従って、論理動作モ
ードにおけるゲート遅延は影響を受けない。

一方、診断モードすなわち論理Ｍ＝　ｒＯＪのとき、抵
抗素子１０９であるＮＭＯＳトランジスタのゲート電位
は論理「１」　（いわゆるｖｃｃ電位）になるので、と
のＮＭＯ８）ランジスタはオン状態となシ抵抗素子とし
て作動する。これは、クロックドインバータ７４がオン
状態になり順次入力されるデータが出力線１４上に現わ
れたときでも非選択状態の７リツプフロツプ（信号５６
″＝論理「１」、信号５６“＝論理「０」）には前述の
データがセットされないようにするためである。

すなわち、非選択状態の７リツプフロツプでは信号５６
“＝論理「１」　（信号５６〃′＝論理「０」）（１７
） であり、３人力のクロックドナントゲート１０２はオン
状態のままである。ここで、データＱ１と、クロックド
インバータ７４からＪｌｌｆｆ１次出力されるデータの
論理レベルがお互いに相補の関係にある場合、電源電圧
Ｖｃｃと接地電位ＧＮＤ間にＰＭＯ８とＮＭＯ８）ラン
ジスタを介して直流バスが形成され、出力１１４の電位
が変動しフリップフロップの記憶データＱ１が反転して
しまう。

このため、抵抗素子１０９を挿入して出力線１４からク
ロックドインバータ７４側を見込んだ抵抗を充分大きく
すれば、３人力のクロックドナントゲート１０２の出力
Ｑ１はクロックドインバータ７４の出力データによって
変化を受けることはなくなる。

この実施例では、ＬＳＩチップ内のフリップフロップの
選択に要するデコード線は診断モード信号８、選択信号
５６“（またはＳ　ａ　／／／　）、スレーブラッチ信
号１１、スキャンアウト信号１０の４本で済む。尚、次
の実施例でも示すように、実際にはスキャンアウト信号
１０と選択信号５６“は（１８） 同じ信号でよいので３本の信号線でよい。

第１０図はこの発明の第５の実施例を示すものであシ、
第９図の７リツプフロツプを適用したゲートアレイを示
している。

同図によれば、ＬＳＩチップ１４４に、入力／（ツファ
セル１２０，１２１，１２２，１２３、アドレスデコー
ダ１２５，１２６，１２７、第９図で示したフリップフ
ロップセル１２５．！２６゜１２７、その他の組合せ回
路１２８が組込まれている。同様に、診断モード信号Ｍ
の入力用）くラド１２９．２相の診断用クロックＣ２の
入力用ノ々ツド１３０．１相の診断用クロックＣ１の入
力用ノ（ラド１３１が示されている。

入出力バッファセル群１２１は一群のクロックドインバ
ータ７４から成シ抵抗素子１０９を介して出力線１４−
１．１４−２．１４−３にスキャンインデータを出力す
る。

尚、この実施例では、便宜上全体の回路中のフリップフ
ロップ群と、そのフリップフロップ群の間の組合せ回路
のうちの一組のみを示した。また、（１９） フリップフロップ１２５，１２６および１２７は実際に
はもつと多数のフリップフロップからなる。

この回路によればフリップフロップ１２５，１２６に任
意のデータをセットし、組合せ回路１２８の出力を入力
とするフリップフロップに７の出力を外部ビンにスキャ
ンアウトして内部フリップフロップだけでなく組合せ回
路を含む全体の回路を診断することもできる。このため
、この実施例ではＬＳＩチップ内の任意の内部７リツプ
フロツプに任意のデータをセット（スキャンイン）でき
、任意の７リツプフロツプの状態を直接読出す（スキャ
ンアウト）ことができる。

第１０図のフリップフロップ１２５，１２６゜１２７の
端子と第９図のフリップフロップの信号線との対応を示
せば、第１１図の様である。

すなわち、信号線８にアドレスデコーダ１２４の出力Ｍ
Ｔを入力し、信号線１０．５６“′には選択及びスキャ
ンアウト信号ＳＴを入力し、信号線１１には２組クロッ
クＣ２を入力する。また、信号線１４にはスキャンイン
データＳＤを入力し、（２０） 信号線１３からスキャンインデータＳＯを出力するよう
にする。各信号の論理は次式で表わされる。

ＭＴ＝Ｍ−ＣＩ ＳＴ＝Ｍ・Ａ、１−ＣＩ ＳＤ＝Ｄｉ−０１ ここで、ＮＩはγノドレスデコーダ１２４のデコード出
力、Ｄｉはスキャンインデータ（五番目０ＦＦ）、Ｍは
診断モード信号（Ｍ＝“０″：診断モード、Ｍ＝ｕ１”
：論理モード）、Ｃ１は診断用２相クロツク（１相目）
、Ｃ２は診断用２相クロツク（２相目）である。

いずれもクロックＣ１に同期した信号であシ、信号ＭＴ
は診断モード／論理モードを、ＳＴは診断モード時にフ
リップフロップがアクセスされたことを示す選択信号（
信号線１０にも入力されているのでスキャンアウト信号
でもある）である。

従って、信号ＭＴ＝″′１”で信号ＳＴ＝″１”のタイ
ミングのとき信号線１４上のデータは該当するフリップ
フロップに取込まれてセットされる。

（２１） 同時に、スレーブフリップフロップ６の出力が信号線１
３上にスキャンアウトされる。クロックＣ２＝”１”の
タイミングでＦＦ６にマスタフリップフロップの出力Ｑ
１がセット状態となる。

以上から第１０図の実施例の動作は明らかであるが、各
モードにあける真理値表を示せば、次の表３の様である
。

ζ以下染台２ １りり＼ （２３） 以上から明らかな様に、診断モードにおけるスキャンイ
ン時には、所望の７リツプフロツプに診断パターンをス
テップトＮの間セットする。この時、クロックＣ２＝論
理「０」のままである。

スキャンイン時の最終ステップ番号ＮＯでクロックＣ２
＝論理「１」にしてスレーブフリップフロップ６にてス
タフリップフロップのデータＱ１をセットする。

次に、診断モードを解除しステップ番号Ｎ２で組合せ回
路１２８の出力データを次段のフリップフロップ群（第
１０図ではフリップ７０ツブ１２７）にセットする。更
に１ステップ番号Ｎ３において、診断モードに復帰させ
てクロックＣ２＝　ｒｌＪのタイミングでスレーブフリ
ップフロップ６にセット後、ステップ番号Ｎ４において
クロックＣ１＝論理「１」のタイミングでこのフリップ
フロップ群（第１０図では７リツプフロツプ１２７）Ｃ
７）データをスキャンアウトさせる。これらの動作を繰
返す。

スキャンインデータはバス１３２を通！５、人出（２４
） カバツファ１２１から抵抗素子１０９を介して信号線１
４−１．１４−２．１４−３上に転送される。同時に入
力バス１３３からのアドレス信号により信号ＳＴＩ、Ｓ
Ｔ２〜ＳＴＮのどれかが論理「１」レベルとなりスキャ
ンインが行なわれる。

スキャンアウトは上記信月ＳＴのタイミングで選択され
たフリップフロップ群のスレーブフリップフロップ６の
データが信号線１３−１．１３−２゜１３−３に出力さ
れ、入出力バッファ１２３によシ出力バス１３４に転送
される。尚、フリップフロツブ自体の検出は単に各７リ
ツプフロツプにデータセット後、すぐに該当フリップフ
ロップのデータをスキャンアウトすればよい。

〔発明の効果〕

この発明によれば、以上の様な構成とすることによシ、
フリップフロップを含む半導体集積装置において、従来
の３０〜５０優の小型化が可能な診断機能付の半導体集
積装置を提供することができる。

また、構成を簡易化したことによシ、応答速度ｆ９５） の低下も防止できる。

従って、故障検出率も高く信頼性が向上する一方、ゲー
トアレイにおける高集積化も可能であるため、価額低減
に寄与するところも大である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来装置の系統図、第３図は第２図
の一部詳細系統図、第４図はこの発明の基本実施例の系
統図、第５図はこの発明の第２の実施例の系統図、第６
図及び第７図は第５図の一部詳細系統図、第８図乃至第
１１図はこの発明の第３乃至第６の実施例の系統図であ
る。 ５０．５１・・・フリップフロップを構成する基本ゲー
ト、５２・・・マルチブＶクサ、５３・・・診断用制御
回路、５４．５５・・・スイッチ、７４・・・クロック
ドゲートインバータ、７０．７２・・・クロックドアン
ド・ノアゲート、７１．７３・・・アンド・ノアグー）
、９０．９２・・・オア・ナントゲート、９３゜９１・
・・オア・ナントゲート、Ｎ１６・・・ＮＭＯ８）ラン
ジスタ、１００，１０１・・・ナントゲート、１０２．
１０４・・・クロノクドオγ・ナントゲート、（’Ｍ） １０３．１０５・・・オア・ナントゲート、１０８゜１
０７．１０８・・・インバータ、６・・・Ｄ型フリップ
７四ツブ、７・・・スリーステートバッフγ、１２０゜
１２１．１２２．１２３・・・入出力バッファ、１４４
・・・ＬＳＩチップ、１２４・・・Ｔドレス発生回路、
１２５，１２６，１２７・・・診断機能付フリップフロ
ップセル、１２９・・・診断モード信号入力用パッド、
１３０・・・２相目クロツク入力用パツド、１３１・・
・１相目クロツク入力用パツド。 代理人　弁理士　鵜沼辰之 茅　１　固 ９３０ （幻　（１）） 草５２ 茅６　囚 茅７０ ５６′ 茅　７　月 ＄ｌｏ口 ／２２ ＄ｌＩ　囚

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、組合せ回路及び閉ループ接続を含むフリップフロッ
   プ回路を有する半導体集積装置において、前記フリップ
   ７０ツブの閉ループ接続を切りこの７リツプフロツプの
   出力を高インピーダンス状態とする第１の手段と、前記
   フリップ７０ツブの入力信号を阻止する第２の手段と、
   故障診断時に前記第１及び第２の手段を機能させ且つ前
   記フリップ７０ツブに診断用信号を注入する第３の手段
   と、を具えたことを特徴とする半導体集積装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記第
   ３の手段はクロックドインバータを含むことを特徴とす
   る半導体集積装置。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項記載の装置におい
   て、前記第３の手段は前記フリツプフ、ｃＩツブの駆動
   端に診断モード時に抵抗素子として使用する可変抵抗素
   子を含むことを特徴とする半導体集積装置。