KR102172350B1 - 마모 모니터 디바이스 - Google Patents
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Abstract
개시된 기술은 일반적으로 마모 모니터링 능력을 갖는 집적 회로 디바이스에 관한 것이다. 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스로부터 분리된 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 포함하며, 표시는 코어 회로의 마모를 야기하는 마모 스트레스에 응하여 마모 모니터 디바이스 내의 디퓨전트의 국부적인 확산과 관련된다.
Description
참조에 의한 편입
본 출원은 2016년 10월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/291,742호; 2016년 4월 19일 출원된 미국 가출원 제62/324,828호; 2017년 1월 18일자로 출원된 미국 가출원 제62/447,824호; 및 2017년 2월 6일자로 출원된 미국 가출원 제62/455,481호 각각의 전체에 대한 우선권을 주장하고 이를 참조문헌으로 포함한다.
개시된 기술은 일반적으로 집적 회로 디바이스를 위한 마모(wear-out) 모니터 디바이스에 관한 것이다.
일부 집적 회로(IC) 디바이스의 임무 수명은, 예를 들어, 장애 메커니즘의 이론적, 경험적 또는 반-경험적 모델에 기초하여 예측될 수 있다. 이에, 장애 메커니즘은 IC 디바이스의 장애를 야기하는 마모 스트레스의 유형(들)에 의존한다. IC 디바이스의 마모를 야기하는 스트레스는 다른 유형의 스트레스들 중에서도, 열 스트레스, 전압(또는 전자기장) 스트레스, 전류 스트레스, 및 기계적 스트레스를 포함한다. 일부 장애는 급성 스트레스, 예를 들면, 전기적 오버스트레스(EOS) 또는 정전기 방전(ESD) 이벤트에 의해 야기되는 반면, 다른 장애는 누적 스트레스, 예를 들면, 동작 동안의 열, 전압 또는 전류 스트레스에 의해 야기된다. 예측된 임무 수명을 넘어 이들 마모 스트레스를 받는 IC 디바이스는 갑작스럽고 파멸적일 수 있는 신뢰도 장애 확률이 증가될 수 있다. 예를 들어, 어떤 열적으로 활성화된 장애 메카니즘, 예를 들어, 메모리 디바이스의 데이터 보존은 주어진 온도에서 예측가능한 장애 발생 시간을 갖는다. 그러나, 마모를 야기하는 스트레스는 간헐적이고 변할 수 있다. 결과적으로, 장애 메커니즘이 비교적 잘 알려져 있을 때라도 장애 발생 시간을 예측하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 사용자가 갑작스러운 장애를 피하기 위해 IC 디바이스가 실제적으로 임무 수명의 끝에 얼마나 가까운지를, 예를 들어, 자동으로, 모니터링할 수 있도록 누적 스트레스를 실시간으로 모니터링하는 것이 바람직하다.
마모 스트레스를 모니터하는 한 접근법은 센서 시스템을 구현하는 것일 수 있다. 센서 시스템은 스트레스를 측정하기 위한 하나 이상의 센서, 예를 들면, 온도 센서 및 전류 센서, 및 측정된 스트레스를 변환하기 위한 관련 회로를 포함할 수 있다. 스트레스와 관련된 측정된 값은 규정된 한도를 벗어나는 가능한 이탈에 대해 기록되고 추적될 수 있다. 이러한 모니터링은 사용자에게 예측된 장애를 경보하기 위해 제품의 수명 동안 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 시스템에 대한 다수의 제약이 있을 수 있다. 예를 들어, 센서 시스템은 제품의 수명 동안 연속적인 감지를 위해 파워 서플라이를 포함할 수 있다. 또한, 감지된 신호, 예를 들어, 전압 또는 전류 신호는 휘발성이어서 저장되지 않으면 손실될 수 있다. 모니터링되는 성분의 마모 레벨은 저장된 정보로부터 계산할 수 있다. 결과적으로, 내장 메모리 및/또는 정보를 외부 메모리로 전송하는 능력이 구현될 수 있다. 또한, 모니터링되는 조건의 범위는 센서 자체에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 센서가 반도체 기반 디바이스이라면, 모니터링되는 성분에 대해 모니터링될 수 있는 온도, 전압 및/또는 전류의 범위는 반도체 기반 디바이스의 동작 파라미터에 의해 제한될 수 있다. 범위를 넘어서는 센서 시스템 자체의 가능한 장애 때문에 이탈은 모니터링되어 기록될 수 없다. 따라서, 개선된 마모 모니터 디바이스에 대한 요구가 있다.
청구 범위에 기술된 혁신 각각은 몇가지 측면을 가지며, 이 중 하나만이 이의 바람직한 속성을 단독으로 담당하지는 않는다. 청구항들의 범위를 제한하지 않고서, 본 개시의 몇몇 주요 특징들이 이제 간략하게 설명될 것이다.
일 측면에서, 마모 모니터링을 갖는 집적 회로 디바이스는 코어 회로 및 마모 모니터 디바이스를 포함한다. 마모 모니터 디바이스는 코어 회로가 활성화되었는지에 관계없이 코어 회로의 마모 표시를 조정하도록 구성된다. 집적 회로 디바이스는 마모 모니터링 디바이스와 관련된 전기적 특성을 검출하도록 구성된 감지 회로를 추가로 포함하며, 전기적 특성은 코어 회로의 마모를 나타낸다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 기판, 및 기판 내에 확산되도록 구성된 모니터 원자들을 포함하며, 기판 내의 모니터 원자의 도핑 프로파일은 코어 회로의 마모를 나타낸다.
일부 실시예에서, 모니터 원자는 기판에서 0.75 eV와 2.5 eV 사이의 확산 활성화 에너지를 갖는다.
일부 실시예에서, 모니터 원자는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 백금(Pt), 황(S), 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 나트륨(Na), 및 칼륨(K)으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소들을 포함한다.
일부 실시예에서, 코어 회로 및 마모 모니터 디바이스는 반도체 물질로 형성된 공통 기판인 기판 내에 형성되고, 모니터 원자가 코어 회로 내로 확산함이 없이 마모 스트레스 하에서 마모 모니터 디바이스 내에 잔류하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 장치는 기판의 표면 상에 형성된 모니터 원자의 저장소를 포함하고, 저장소는 마모 모니터 디바이스의 제1 전극으로서 작용하고, 마모 모니터 디바이스는 제1 전극과는 상이한 물질로 형성된 표면 상에 제2 전극을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 기판은 모니터 원자에 대한 확산 매질로서 반도체 물질을 포함한다.
일부 실시예에서, 일부 실시예에서, 모니터 디바이스는 PN 접합을 포함하며, 저장소는 PN 접합의 p-도핑 영역 또는 n-도핑 영역 중 하나에 물리적으로 접촉하고, 제2 전극은 p-도핑 영역 또는 n-도핑 영역 중 다른 하나와 전기적으로 접촉한다.
일부 실시예에서, 일부 실시예에서, 전기적 특성은 PN 접합의 역방향 바이어스 전류를 포함한다.
일부 실시예에서, 모니터 디바이스는 서로 분리되고 제1 도핑 영역과 제2 도핑 영역 사이에 바이어스 하에 펀치-스루하도록 구성된 제1 도핑 영역 및 제2 도핑 영역을 포함하고, 제1 도핑 영역 및 제2 도핑 영역은 반대 도전형을 가지며, 모니터 원자들은 바이어스 하에 제1 도핑 영역으로부터 제2 도핑 영역으로 확산하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 제2 도핑 영역은 반도체 물질의 표면에 형성된 제1 도핑된 영역으로부터 수직으로 분리된 매립 영역이다.
일부 실시예에서, 일부 실시예에서, 제1 도핑 영역 및 제2 도핑 영역은 반도체 물질의 표면 영역에서 형성되고 서로로부터 측방으로 분리된다.
일부 실시예에서, 일부 실시예에서, 모니터 디바이스는 채널 영역에 의해 서로 분리되는 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 포함하고, 바이어스 하에, 모니터 원자들은 소스 영역 또는 드레인 영역 중 하나로부터 소스 영역 또는 드레인 영역 중 다른 하나를 향하여 채널로 확산하게 구성된다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 감지 회로에 결합된 기준 디바이스를 더 포함하고, 감지 회로는 기준 디바이스의 상응하는 전기적 특성에 마모 모니터 디바이스의 전기적 특성의 비교에 기초하여 마모 표시를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 기준 디바이스는 모니터 원자들을 갖는 마모 모니터 디바이스의 대응하는 전극과는 상이한 물질로 형성된 적어도 하나의 전극을 가지면서 마모 모니터 디바이스와 동일한 유형의 디바이스를 포함한다.
일부 실시예에서, 마모 표시는 열 스트레스, 전압 스트레스, 또는 전류 스트레스 중 하나 이상을 나타낸다.
일부 실시예에서, 모니터 원자는 마모 스트레스가 모니터 원자가 기판 내에서 확산되는 레이트의 변화를 야기하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 p-도핑 영역 및 n-도핑 영역을 포함하고, p-도핑 영역은 확산 물질과는 상이한 p-형 도펀트를 포함하고, n-도핑 영역은 확산 물질과는 상이한 n-형 도펀트를 포함한다.
또 다른 측면에서, 코어 회로 및 마모 모니터 디바이스를 포함하는 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법은 마모 모니터 디바이스의 전기적 특성을 검출하는 단계를 포함하고, 마모 모니터 디바이스는 반도체 물질 및 반도체 물질 내로 확산하도록 구성된 모니터 원자들을 포함하며, 전기적 특성은 코어 회로의 마모를 나타내는 반도체 물질 내의 모니터 원자들의 농도 프로파일에 대응한다. 방법은 마모 모니터 디바이스의 전기적 특성을 보고하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 검출하기에 앞서, 방법은 모니터 원자가 반도체 물질 내에서 확산되게 하는 스트레스 조건를 집적 회로 디바이스가 받게 하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 코어 회로의 마모가 마모 디바이스의 검출된 전기적 특성에 기초하여 소정의 레벨에 도달했는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 모니터 디바이스는 복수의 도핑 영역, 및 도핑 영역 중 하나와 물리적으로 접촉하고 전극으로서 작용하는 모니터 원자의 저장소를 포함하고, 전기적 특성을 검출하는 단계는 전극을 사용하여 전류 또는 전압을 측정하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 스트레스 조건은 열 스트레스 조건, 전압 스트레스 조건 또는 전류 스트레스 조건 중 하나 이상을 포함한다.
또 다른 측면에서, 마모 모니터링을 갖는 집적 회로 디바이스는 코어 회로, 및 기판 내의 확산 물질의 도핑 프로파일로서 코어 회로의 마모를 기록하는 수단을 포함한다. 집적 회로 디바이스는 코어 회로의 마모 표시를 검출하는 수단을 추가로 포함하고, 마모를 기록하는 수단은 마모 표시를 기록하는 수단과 연통한다.
일부 실시예에서, 확산 물질은 0.75eV와 2.5eV 사이의 기판에 확산 활성화 에너지를 갖는다.
일부 실시예에서, 기판은 반도체 기판이다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 제1 유형의 제1 도펀트로 도핑된 제1 도핑 영역 및 제2 유형의 제2 도펀트로 도핑된 제2 도핑 영역 도핑 영역을 포함한다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 확산 물질의 원자를 포함하는 저장소를 더 포함하고, 저장소는 제1 도핑 영역 또는 제2 도핑 영역 중 하나와 접촉한다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 p-도핑 영역 및 n- 핑 영역을 갖는 PN 접합을 포함하고, p-도핑 영역은 도펀트와는 상이한 p-형 도펀트를 포함하고, n-도핑 영역은 확산 물질과는 다른 n-형 도펀트를 포함한다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 소스 영역 및 드레인 영역을 갖는 금속-산화물-실리콘 트랜지스터를 포함하고, 소스 영역 및 드레인 영역은 확산 도펀트와는 다른 n-형 도펀트 또는 p-형 도펀트로 도핑된다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 모니터링 영역 및 기판 내에 형성된 기준 영역을 포함하며, 모니터링 영역 및 기준 영역 각각은 확산 물질을 포함하고, 적어도 기준 영역은 확산 물질의 기판으로의 확산을 제한하게 구성된 장벽을 포함한다.
일부 실시예에서, 검출 수단은 모니터링 영역 및 기준 영역 각각으로부터 임피던스 값을 측정하고 측정된 임피던스 값의 비교에 기초하여 코어 회로의 마모를 결정하도록 구성된다.
또 다른 측면에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스로부터 분리된 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 포함하며, 표시는 코어 회로의 마모를 야기하는 마모 스트레스에 응하여 마모 모니터 디바이스 내에 디퓨전트의 국부적인 확산과 관련된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 마모-스트레스가 디퓨전트를 저장소로부터 확산 영역 내로 확산시키도록 저장소와 연통하는 디퓨전트 및 확산 영역을 포함하는 저장소를 포함한다.
일부 실시예에서, 확산 영역은 반도체 물질을 포함한다.
일부 실시예에서, 마모 표시는 확산 영역 내의 디퓨전트의 농도와 관련된다.
일부 실시예에서, 확산 영역은 확산 영역에서 0.75eV와 2.5eV 사이의 확산 활성화 에너지를 갖는다.
일부 실시예에서, 디퓨전트는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 백금(Pt), 황(S), 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 나트륨(Na), 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들을 포함한다.
일부 실시예에서, 저장소는 기판의 표면에 형성되고, 저장소는 마모 모니터 디바이스의 제1 전극으로서 작용하고, 마모 모니터 디바이스는 표면에 형성되고 저장소와는 상이한 물질로 형성된 제2 전극을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 코어 회로 및 마모 모니터 디바이스는 반도체 물질로 형성된 공통 기판 내에 형성되고 디퓨전트가 코어 회로에 확산되지 않고 마모 스트레스 하에서 마모 모니터 디바이스 내에 잔류하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결되고 확산 영역으로의 디퓨전트의 국부적인 확산에 응하여 변화하는 전기적 특성을 검출하도록 구성된 감지 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스로부터 코어 회로 내로 디퓨전트가 확산되지 않도록 마모 모니터 디바이스로부터 물리적으로 분리된 코어 회로를 포함한다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 마모 표시를 기록하기 전에 자극에 의해 활성화되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스에 연결되고 자극을 공급하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하며, 자극은 전압 자극 또는 전류 자극 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 자극은 광학적 자극을 포함한다.
일부 실시예에서, 디퓨전트의 확산을 위한 에너지 장벽을 갖는 물리적 장벽은 저장소와 확산 영역 사이에 배치되고, 물리적 장벽은 에너지 장벽이 마모 모니터 디바이스를 활성화하기 위한 자극에 응하여 감소되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 자극이 에너지 장벽을 감소시키기 위해 장벽에 충분한 열 에너지를 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 확산 영역 및 저장소는 영역이 저장소에 대해 디퓨전트의 확산을 위한 에너지 장벽을 갖도록 상이한 조성을 가지며, 에너지 장벽은 자극이 마모 모니터 디바이스를 활성화하게 디퓨전트에 충분한 에너지를 부여하도록 한다.
일부 실시예에서, 에너지 장벽은 실온에서 저장소 내의 디퓨전트의 평균 열 에너지보다 크다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 각각 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 복수의 모니터 구조를 포함한다.
일부 실시예에서, 모니터 구조의 서로 상이한 것들은 코어 회로의 마모 표시를 기록하기 전에 상이한 자극에 의해 활성화되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 모니터 구조들의 상이한 것들은 각각의 저장소와 각각의 확산 영역 사이에 형성된 상이한 물리적 장벽을 갖는다.
일부 실시예에서, 모니터 구조들의 상이한 것들은 상이하게 구성된 확산 영역들을 갖는다.
일부 실시예에서, 상이하게 구성된 확산 영역은 상이한 조성을 갖는다.
일부 실시예에서, 모니터 구조들의 상이한 것들은 상이하게 구성된 저장소를 갖는다.
일부 실시예에서, 상이하게 구성된 저장소는 상이한 조성을 갖는다.
일부 실시예에서, 각각의 모니터 구조는 이 위에 형성된 복수의 전극을 갖는다.
일부 실시예에서, 복수의 전극의 전극은 서로 규칙적으로 이격되어 있다.
일부 실시예에서, 모니터 구조는 공통 기판 상에 측방으로 배열된다.
일부 실시예에서, 인접한 모니터 구조는 규칙적인 간격으로 형성된다.
일부 실시예에서, 저장소 및 확산 영역은 마모의 표시가 기판의 주 표면에 평행한 측방 방향으로 확산의 순 방향을 갖는 디퓨전트의 국부적인 확산에 기초하도록 공통 기판 상에 서로에 대해 측방으로 배치된다.
일부 실시예에서, 확산의 순 방향은 확산 영역을 둘러싸는 디퓨전트를 포함하는 저장소 영역으로부터 중앙에 위치된 확산 영역을 향하여 방사상으로 내측 방향이다.
일부 실시예에서, 마모 표시는 확산 영역을 둘러싸는 확산 영역을 향한 디퓨전트를 포함하는 중앙에 위치된 저장 영역으로부터 방사상 외측 방향인 확산의 순 방향을 갖는 디퓨전트의 확산에 기초한다.
일부 실시예에서, 모니터 구조는 공통 기판 상에 수직으로 배열된다.
일부 실시예에서, 기판의 원자는 디퓨전트로서 작용하여, 마모 스트레스가 기판의 원자가 기판으로부터 확산 영역으로 확산되게 한다.
일부 실시예에서, 마모 스트레스는 기판의 원자를 포함하는 산화물이 저장소의 표면을 형성하게 한다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결되고 기판의 원자의 확산 영역 내로의 국부적인 확산에 응하여 변화하는 전기적 특성을 검출하도록 구성된 감지 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 감지 회로는 확산 영역의 저항률을 측정하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 기준 전극을 더 포함하고, 감지 회로는 기준 전극과 확산 영역 사이의 커패시턴스를 측정하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 제1 방향으로 확산 영역에 전계를 인가하도록 구성되며, 디퓨전트는, 디퓨전트가 확산된 확산 영역에 전계가 인가될 때 전계가 디퓨전트가 확산 영역에서 제1 방향으로 더 확산되게 하도록 확산 영역에서 확산될 때 차지 상태를 갖는다.
일부 실시예에서, 확산 영역 및 저장소는 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 인접하게 배치되고, 마모 스트레스가 디퓨전트를 제2 방향으로 확산시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 확산 영역은 반도체 기판 내에 배치되고, 저장소는 마모 스트레스가 디퓨전트를 반도체 기판의 표면에 수직한 방향으로 확산시키도록 반도체 기판의 표면 상에 형성되고, 전계는 디퓨전트를 반도체 기판 표면에 평행한 방향으로 확산시킨다.
일부 실시예에서, 복수의 도전성 구조들은 제1 방향을 따라 확산 영역의 표면 상에 형성되고, 복수의 위치들에서 확산 영역에의 전기적 액세스를 제공한다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 하나 이상의 도전성 구조들에 전압을 인가함으로써 전계를 인가하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 확산 영역은 전계가 제1 방향으로 확산 영역에 걸쳐 크기가 변하도록 제1 방향으로 그레이드된 농도를 갖는 도펀트로 도핑된 반도체 물질을 포함한다.
일부 실시예에서, 마모 모니터는 전계가 확산 영역 내 빌트-인 전계가 되도록 확산 영역 내에 반대로 도핑된 반도체 영역을 갖는다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 마모 스트레스가 디퓨전트를 저장소로부터 멀리 확산 영역으로 확산되게 하도록 구성되며, 디퓨전트는 확산 영역 내로 확산될 때 차지 상태를 가지며, 마모 모니터 디바이스는 디퓨전트가 확산된 확산 영역에 전계가 인가될 때 전계가 디퓨전트를 저장소를 향해 확산되게 하도록 확산 영역에 전계를 인가하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는, 디퓨전트가 확산된 확산 영역에 전계가 인가될 때 전계가 디퓨전트를 농도 그레디언트가 증가하는 방향으로 확산되게 하도록 하는 크기를 갖는 전계를 인가하게 구성된다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 자극에 응하여 디퓨전트의 확산을 활성화시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 자극은 전압, 전류, 광 또는 열 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 자극을 마모 디바이스에 인가하도록 구성된 제어 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결되고 시간에 따른 확산 프로파일의 표시를 제공하도록 구성된 감지 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결되고 인 시츄로 마모 표시를 제공하도록 구성된 감지 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 반도체 기판을 포함하고, 디퓨전트는 반도체 기판 내로 확산되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결되고 반도체 기판 내로의 디퓨전트의 국부적인 확산에 응하여 변화하는 전기적 특성을 검출하도록 구성된 감지 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결되고 확산 영역으로 마모 모니터 디바이스의 반도체 물질의 국부적인 확산에 응하여 변화하는 전기적 특성을 검출하도록 구성된 감지 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 자극에 응하여 국부적인 확산의 방향을 야기하는 자극이 가해질 수 있게 하도록 구성된다.
또 다른 측면에서, 집적 회로 디바이스의 코어 회로의 마모를 모니터링하는 방법은 코어 회로로부터 분리된 마모 모니터 디바이스를 사용한다. 방법은 코어 회로의 마모 표시를 기록하는 단계를 포함하며, 표시는 코어 회로의 마모를 야기하는 마모 스트레스에 응하여 마모 모니터 디바이스 내의 디퓨전트의 국부적인 확산과 관련된다. 방법은 디퓨전트의 국부적인 확산에 응하여 변화하는 전기적 특성을 검출하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 마모 모니터 디바이스의 전기적 특성을 보고하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 기록 전에, 디퓨전트를 포함하는 저장소로부터 확산 영역으로의 국부적인 확산을 야기하는 마모 스트레스를 마모 모니터 디바이스에 가하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 마모 모니터 디바이스에 마모 스트레스를 가하기에 앞서, 에너지 장벽을 극복하기 위한 자극을 인가함으로써 모니터 디바이스를 활성화시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 자극을인가하는 것은 에너지 장벽을 갖는 물리적 장벽을 변화시키고 에너지 장벽을 감소시킨다.
일부 실시예에서, 방법은 마모 모니터 디바이스에 마모 스트레스를 가한 후, 내부에 확산된 디퓨전트를 갖는 확산 영역에 전계를 제1 방향으로 인가하여 전계가 디퓨전트를 제1 방향으로 더 확산되게 하도록 하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 마모 모니터 디바이스에 디퓨전트를 저장소로부터 멀리 확산 영역으로 확산되게 하는 마모 스트레스를 가한 후, 전계가 디퓨전트를 저장소 쪽으로 확산하게 하도록, 디퓨전트가 확산된 확산 영역에 전계를 인가하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 집적 회로 디바이스는 집적 회로 디바이스 내 코어 회로의 마모 모니터링 능력을 갖는 집적 회로 디바이스를 갖는다. 집적 회로 디바이스는 코어 회로의 마모 표시를 기록하는 수단을 포함하며, 표시는 코어 회로의 마모를 야기하는 마모 스트레스에 응하여 기록 수단 내에 디퓨전트의 국부적인 확산과 관련된다. 집적 회로 디바이스는 코어 회로의 마모 표시를 검출하는 검출 수단을 더 포함하고, 마모 표시를 검출하기 위한 수단은 마모 표시를 기록하기 위한 수단과 연통한다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 디퓨전트를 포함하는 저장소, 및 마모 스트레스가 디퓨전트를 저장소로부터 확산 영역 내로 확산되게 하도록 저장소와 연통하는 확산 영역을 포함한다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 디퓨전트를 저장소로부터 확산 영역으로 확산시키기 전에 자극에 응하여 활성화하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 집적 회로 디바이스는 제1 방향으로 확산 영역에 전계를 인가하는 수단을 더 포함하고, 디퓨전트는 디퓨전트가 확산된 확산 영역에 전계가 인가될 때 전계가 디퓨전트를 확산 영역에서 제1 방향으로 더 확산하게 하도록 확산 영역에서 확산될 때 차지 상태를 갖는다.
일부 실시예에서, 기록 수단은 마모 스트레스가 디퓨전트를 저장소로부터 멀리 확산 영역으로 확산되게 하도록 구성되며, 디퓨전트는 확산 영역 내로 확산될 때 차지 상태를 가지며, 기록 수단은 디퓨전트가 확산된 확산 영역에 전계가 인가될 때 전계가 디퓨전트를 저장소를 향해 확산되게 하도록 확산 영역에 전계를 인가하도록 더 구성된다.
또 다른 측면에서, 센서는 통합 데이터 기록 구조를 포함한다. 센서는 센서의 몸체 내의 용질로서 작용하는 물질에 노출되도록 된 제1 영역을 포함한다. 센서는 제1 영역과 접촉하고, 시간의 함수로서 용질의 농도가 센서의 몸체 내 용질의 공간적 분포로서 인코딩이 되도록 용질을 제1 영역으로부터 멀리 이동시키도록 된 제2 영역을 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 제2 영역은 전계(E- 필드) 하에서 제1 방향으로 용질을 이동 시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, E- 필드는 제2 영역을 형성하는 물질 내에서 공간적으로 그레이드된 도핑 프로파일에 의해 제공되는 고유 E-필드이다.
일부 실시예에서, E- 필드는 제2 영역에 걸쳐 인가된 전압차에 의해 제공된다.
일부 실시예에서, 센서는 제2 영역을 따라 위치의 함수로서 제2 영역의 전기적 특성을 판독하기 위해 제2 영역을 따라 연장되는 판독 구조를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 구조는 제2 영역을 따라 배치된 복수의 전극을 포함한다.
일부 실시예에서, 판독 구조는 제2 영역을 따라 배치된 복수의 트랜지스터들을 포함하고, 트랜지스터는 바이폴라 접합 트랜지스터들을 포함하고, 제2 영역은 바이폴라 트랜지스터들 각각을 위한 베이스 영역으로서 작용하며; 및/또는 트랜지스터들은 전계 효과 트랜지스터들이며, 제2 영역은 전계 효과 트랜지스터들 각각을 위한 게이트 또는 채널 영역으로서 작용한다.
일부 실시예에서, 판독 구조는 복수의 다이오드를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서는 기준 채널을 더 포함하고, 기준 채널은 센서의 제2 영역에 대응하지만 제1 영역과는 접촉하지 않는 제3 영역을 포함한다.
일부 실시예에서, 온도는 전술한 통합 데이터 기록 구조를 포함하는 센서를 포함한다. 센서의 제1 영역은 용질로서 작용하는 물질과 접촉하거나 이것으로 도핑되며, 물질은 센서 몸체의 물질에 대해 3 전자 볼트(eV) 미만의 활성화 에너지를 갖는다.
일부 실시예에서, 온도 센서에서 용질로서 작용하는 물질은 2eV 미만 및 0.7eV보다 큰 활성화 에너지를 갖도록 선택된다.
일부 실시예에서, 온도 센서 내 물질은 은, 금 및 구리로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 농도 센서는 전술한 온도 센서를 포함한다. 또한, 농도 센서는 제2 용질로서 작용하는 시약에 노출된 제3 영역; 및 제3 영역과 접촉하고 제4 영역 따라 제2 용질을 이동시키도록 된 제4 영역을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 센서는 용질로서 작용하는 물질과 제1 영역 사이의 접촉을 제어하기 위한 구조를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 접촉을 제어하기 위한 구조는 온도, 압력 및 전기적 제어 중 하나 이상에 응답한다.
일부 실시예에서, 센서는 판독 회로를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 다이는 전술한 센서를 유지한다.
일부 실시예에서, 칩 스케일 패키지는 적어도 하나의 다른 다이와 함께 패키징된 전술한 다이를 포함한다.
또 다른 측면에서, 비-파워 상태에서 온도를 기록하게 동작할 수 있는 온도 센서는 반도체의 메모리 영역과 접촉하여 배치된 용질 물질을 포함한다. 반도체의 메모리 영역은 시간의 함수로서의 온도가 메모리 영역 내 용질의 공간적 분포로서 인코딩이 되도록 메모리 영역을 따라 용질을 이동시키기 위해 고유 전계가 내부에 존재하도록 도핑된다.
또 다른 측면에서, 온도 센서를 제조하는 방법은 전계 그레디언트가 영역에 걸쳐 존재하도록 반도체의 영역을 적응시키는 단계를 포함한다. 방법은 영역 내의 위치의 함수로서 전기적 특성이 결정될 수 있도록 구성된 반도체의 영역 내에 복수의 판독 구조를 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 반도체 영역의 일부를 불순물의 소스에 노출시키는 단계를 더 포함하며, 이에 의해 불순물은 반도체의 전기적 특성을 수정한다.
개시를 요약할 목적으로, 혁신의 어떤 측면, 이점 및 신규한 특징이 본원에 기술되었다. 반드시 모든 이러한 이점이 임의의 특정 실시예에 따라 달성될 수 있는 것은 아님을 이해해야 한다. 따라서, 혁신은 본원에서 교시되거나 제안된 바와 같은 다른 이점을 반드시 달성함이 없이도, 본원에 교시된 바와 같은 한 이점 또는 일군의 이점을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 이 개시의 실시예가 비제한적 예로서 이제 기술될 것이다.
도 1은 집적 회로 디바이스의 모집단에 대한 장애 레이트 대 시간을 도시하는 그래프이다.
도 2a는 실시예에 따라, 온-칩 마모 모니터 디바이스를 포함하는 집적 회로 장치를 도시한다.
도 2b는 실시예에 따라, 온-칩 마모 모니터 디바이스 및 기준 디바이스를 포함하는 집적 회로 디바이스를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 실시예에 따라, 마모 스트레스에 응하여 확산 속도가 변화하는 모니터 원자를 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 4a는 실시예에 따라, 모니터 원자로서 인을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 4b는 여러 시간 동안 125℃에서 확산 후, 도 4a의 마모 모니터 디바이스의 실리콘 기판 내의 인의 계산된 농도 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 5a는 실시예에 따라, 모니터 원자로서 금을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 5b 내지 도 5d는 75℃, 100℃ 및 125℃에서 각각 여러 시간 동안 확산 후, 도 5a에 마모 모니터 디바이스의 실리콘 기판 내의 금의 계산된 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 실시예에 따라, 반도체 물질 및 반도체 물질 내에서 확산되도록 구성된 모니터 원자를 포함하는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 박스 영역의 확대도이다.
도 6c는 여러 시간 동안 125℃에서 확산 후,
도 6a 및 도 6b에 마모 모니터 디바이스의 실리콘 디바이스 기판에서의 금의 계산된 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 실시예에 따라, 반도체 물질 내에서 확산되도록 구성된 모니터 원자를 포함하는 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 7b는 실시예에 따라, 도 7a의 모니터 디바이스에 대한 기준 측정을 제공하도록 구성된 기준 디바이스를 도시한 것이다.
도 8은 실시예에 따라, 전류로 야기되는 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 9는 실시예에 따라, 전압으로 야기되는 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 실시예에 따라, PN 접합 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 실시예에 따라 수직 펀치-스루 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 12는 실시예에 따라, 측방 펀치-스루 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 13a 및 도 13b는 실시예에 따라 금속-산화물-실리콘(MOS) 마모 모니터 디바이스로 구성된 마모 모니터 디바이스를 도면한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스를 위한 모니터 원자를 포함하는 전극을 형성하는 방법을 도시한다.
도 15a-도 15d는 실시예에 따라, PN 접합 및 PN 접합으로 확산되도록 구성된 모니터 원자층을 포함하는 마모 모니터 디바이스의 다양한 구성을 도시한다.
도 16a-16g는 실시예에 따라, 하지의 기판으로의 모니터 원자의 확산 속도를 제어하기 위한 마모 모니터 디바이스의 다양한 구성을 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 실시예에 따라, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)로 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 18a-18d는 실시예에 따라 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 19a 및 도 19c-도 19d는 실시예에 따라 임피던스 측정 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 19a는 도 19a 및 도 19c-도 19d의 마모 모니터 디바이스의 농도 프로파일의 시간 전개를 개략적으로 도시한다.
도 20a-도 20c는 일부 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스와 함께 사용되도록 구성된 변환 회로를 도시한다.
도 21a-도 21b는 일부 다른 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스와 함께 사용되도록 구성된 변환 회로를 도시한다.
도 22a 내지 도 22c는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스와 기준 디바이스 사이의 출력 신호를 비교하도록 구성된 용량성 프로그래머블 이득 증폭기(PGA) 회로를 도시한다.
도 23a-도 23c는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스의 전류 출력을 증폭하여 전압 신호로 변환하도록 구성된 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)를 도시한다.
도 24는 일부 실시예에 따라, 모니터 디바이스 및 기준 디바이스의 전류 출력을 증폭하여 전압 신호로 변환하기 위해 애노드 바이어스가 멀티플렉스된 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)를 도시한다.
도 25는 실시예에 따라 하나 이상의 마모 모니터 디바이스를 갖는 수명 표시자 시스템을 도시한다.
도 26은 실시예에 따라 하나 이상의 마모 센서를 포함하는 임무 프로파일 모니터링 시스템을 도시한다.
도 27 내지 도 28은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스의 적용을 위한 IC 디바이스에서의 서플라이 전압 가드 밴딩을 도시한다.
도 29는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스를 포함하고 최소 에너지를 사용하거나 없이 모니터링된 데이터를 무선으로 전송하도록 구성된 IC 장치를 도시한다.
도 30a-도 30d는 실시예에 따라 누적 마모 스트레스를 결정하기 위해 산화 또는 부식되도록 구성된 구조를 갖는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예를 도시한다.
도 31은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 어레이로서 측방으로 배열된 복수의 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 32a 및 도 32b는 실시예에 따라 기준 디바이스와 쌍을 이루고 어레이로서 측방으로 배열된 복수의 모니터 디바이스를 도시한다.
도 33a-도 33c는 실시예에 따라 어레이로서 측방으로 배열된 복수의 모니터 디바이스를 도시한다.
도 34는 실시예에 따라, 하나 이상의 마모 모니터 디바이스를 포함하는 시스템 인 패키지(SIP) 또는 임베디 성분을 갖는 시스템의 도면이다.
도 35a 및 도 35b는 각각 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스로서 구성된 ESD 이벤트 검출 회로의 개략도이다.
도 36a-도 36c는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스로서 구성된 ESD 보호 디바이스의 예시적 물리적 레이아웃을 도시한다.
도 37a-도 37c는 실시예에 따라 단일 칩 상에 ESD 보호 및/또는 에너지 하베스트 회로가 통합된 하나 이상의 마모 또는 부식 모니터링 디바이스를 포함하는 수직 통합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 38a 내지 도 38e는 실시예에 따라 기계적 변형과 관련된 마모 스트레스를 모니터링하기 위해 가요성 기판 내에 또는 그 위에 형성된 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예를 도시한다.
도 39a는 실시예에 따라 전계 강화와 관련된 마모-스트레스를 모니터링하기 위한 하나 이상의 톱니 구조를 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 39b는 실시예에 따라, 도 39a의 마모 모니터 디바이스를 위한 기준 디바이스를 도시한다.
도 40은 실시예에 따라, 반도체 물질 내에서 확산되도록 구성된 모니터 원자들을 포함하는 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 41a는 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압 곡선 및 역방향 바이어스 하에서 브레이크다운을 도시하는 그래프이다.
도 41b는 200℃에서 열 스트레스의 상이한 지속시간이 가해진 후에, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 41c는 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 순방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 42a는 200℃에서 열 스트레스의 상이한 지속시간이 가해진 후에, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 누설 전류를 작도한 차트이다.
도 42b는 다른 온도에서 열 스트레스의 상이한 지속시간이 가해진 후에, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 계산된 누설 전류를 작도한 차트이다.
도 42c는 열 스트레스의 상이한 지속시간 및 온도의 함수로서, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 누설 전류를 작도한 컨투어 차트이다.
도 43a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것으로, 디바이스는 장벽에 의해 기판으로부터 분리되는 모니터 원자의 저장소를 갖는다.
도 43b는 실시예에 따라, 도 43a에 도시된 마모 모니터 디바이스에 인가되는 전기 자극에 의해 야기되는 주울-가열의 시뮬레이션을 도시한다.
도 44a는 실시예에 따라 모니터 원자에 대한 활성화 에너지 레벨을 도시하는 개략적인 3차원 에너지-공간도이다.
도 44b는 실시예에 따라, 물리적 장벽에 의해 기판으로부터 분리되는 모니터 원자의 저장소를 갖는 마모 모니터 디바이스 내의 모니터 원자에 대한 활성화 에너지 레벨을 도시하는 개략적인 2차원 에너지-공간도이다.
도 45는 실시예에 따라 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는 마모 모니터 디바이스 내 모니터 원자에 대한 활성화 에너지 레벨을 도시하는 개략적인 2차원 에너지-공간도이다.
도 46은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 물리적 장벽에 의해 기판으로부터 분리된 모니터 원자의 저장소를 가지며, 모니터 원자들의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 47은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 48은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 모니터 원자의 저장소가 물리적 장벽에 의해 기판으로부터 분리된, 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 49a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는, 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 49b는 실시예에 따라, 도 49a에 도시된 마모 모니터 디바이스의 저장소에인가된 예시적 전기 자극의 단면도를 도시한다.
도 49c는 도 49b에 도시된 전기 펄스로부터 기인한 시뮬레이션된 전류 밀도 분포의 단면도이다.
도 49d는 주울 가열에 기인한 시뮬레이트된 열 분포의 단면도이다.
도 49e는 도 49b에 도시된 전기 펄스에 기인한 시뮬레이트된 충격 이온화의 단면도이다.
도 49f는 도 49b에 도시된 전기 펄스에 기인한 시뮬레이트된 전위 그레디언트의 단면도이다.
도 50a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 복수의 모니터 구조를 포함하는, 마모 모니터 디바이스의 단면도이다.
도 50b는 실시예에 따라, 도 50a에 도시된 마모 모니터 디바이스에 전기 자극을 공급하게 전기적으로 연결되고 구성된 전류 공급 트랜지스터를 갖는 예시적 제어 회로를 도시한다.
도 51a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도(상측에 도면) 및 평면도(하측에 도면)를 도시한다.
도 51b는 일부 다른 실시예에 따라, 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도이다.
도 52는 일부 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 복수의 행을 갖는 어레이를 포함하는, 마모 모니터 디바이스의 평면도이다.
도 53은 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도로서, 마모 출력 모니터 디바이스는 실시예에 따라 기준점 또는 중심 위치로부터 상이한 방사상 거리에 배열된 복수의 모니터 구조를 갖는 어레이를 포함한다.
도 54a 및 도 54b는 실시예들에 따라, 방사상 외측 방향으로 모니터 원자의 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도 및 평면도이다.
도 55a는 실시예에 따라, 방사상 내측 방향으로 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 장벽을 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 55b는 실시예에 따라, 방사상 내측 방향으로 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 각각이 상이한 장벽을 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 55c는 실시예에 따라, 방사상 내측 방향으로 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 각각이 상이한 장벽 및 상이한 저장소를 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 56a는 실시예에 따라, 측방 방향으로 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 장벽 및 상이하게 구성된 모니터 영역을 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 56b는 실시예에 따라, 도 56a에 도시된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것으로, 마모 모니터 디바이스의 상이한 영역에의 전기적 연결을 더욱 도시한다.
도 56c는 실시예에 따라, 저장소와 각각의 모니터 영역 사이의 장벽의 각 영역에 개별적으로 전기 자극을 인가함으로써 초기화되도록 구성된 도 56a에 도시된 마모 모니터 디바이스의 등가 회로도이다.
도 56d는 실시예에 따라, 모니터 영역의 전기적 특성에 변화를 측정하게 구성된 도 56a에 도시된 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결된 감지 회로의 일 실시예를 도시한다.
도 56e는 실시예에 따라, 측방 방향으로 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 저장소에 공통으로 연결된 2세트의 모니터 영역을 포함한다.
도 57은 실시예에 따라, 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 모니터 원자의 복수의 저장소는 와이어 본드로서 구성된다.
도 58은 실시예들에 따라, 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 모니터 원자의 복수의 저장소는 상이한 와이어 본드로서 구성된다.
도 59는 실시예에 따라, 보호될 코어 회로를 포함하는 다른 수동/이산 성분 및/또는 마이크로프로세서와 함께 패키지-레벨 통합 시스템의 일부로서 임베드 또는 포함된 복수의 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시한다.
도 60a는 실시예에 따라, 보호될 코어 회로를 포함하는 다른 수동/이산 성분 및/또는 마이크로프로세서와 함께 임베드 또는 포함된 복수의 마모 모니터 디바이스를 포함하는 패키지-레벨 통합 시스템의 단면도를 도시하며, 장벽은 광의 광자에 의해 변경되도록 구성된 물질로 형성된다.
도 60b는 실시예에 따라, 제어 및/또는 감지 회로를 포함하는 다른 시스템 상에 장착되는 도 60a에 도시된 시스템을 도시한다.
도 61은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시하며, 표시는 모니터 원자와 모니터 원자의 저장소 사이의 상호확산에 기초한다 .
도 62a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시하며, 표시는 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이의 상호확산에 기초한다.
도 62b는 실시예에 따라, 원자의 상호확산에 기인한 저장소에 대한 구조적 수정과 관련된 전기적 서명을 검출하도록 구성된 감지 회로에 전기적으로 연결된 도 62a에 도시된 마모 모니터 디바이스의 확대도이다.
도 63a-도 63d는 실시예에 따라, 원자의 상호확산에 기초한 전기적 서명이 코어 회로의 마모를 측정하기 위해 이용될 수 있도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도이다.
도 64a는 누적 등가 일정 열 마모 스트레스에 기인한 모니터 원자의 농도 프로파일을 도시한다.
도 64b는 누적 시변 열 마모 스트레스에 기인한 모니터 원자의 농도 프로파일을 도시한다.
도 65는 평균 온도에 대한 그리고 이동 평균 온도에 대한 온도 변동들을 비교하는 그래프이다.
도 66a 내지 도 66c는 일부 실시예에 따라 온도 센서의 개략도이다.
도 67은 일부 다른 실시예에 따라 온도 센서의 개략도이다.
도 68은 실시예에 따라, 센서 몸체를 따라 확산된 물질을 이동시키기 위한 외부 전압원을 포함하는 온도 센서의 개략도이다.
도 69는 실시예에 따라 센서 내의 도펀트 밀도를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 70a는 일 실시예에 따라 센서 내의 거리의 함수로서 그레이드된(단계적) 도핑 농도 프로파일을 개략적으로 도시한다.
도 70b는 도 14a의 도핑 농도 프로파일에 대응하는 거리의 함수로서 전계를 개략적으로 도시한다.
도 70c는 도 14a의 도핑 농도 프로파일에 대응하는 전기 전위를 개략적으로 도시한다.
도 71은 전계의 영향 하에 시간의 함수로서 물질의 확산된 영역의 이동을 개략적으로 도시한다.
도 72는 확산 및 드리프트의 조합된 효과를 도시하는 그래프이다.
도 73은 실시예에 따라, 판독 구조의 단면도이다.
도 74는 도 17의 판독 구조의 평면도이다.
도 75는 A-A' 라인을 따른 도 75의 판독 구조의 단면도이다.
도 76은 실시예에 따라, 대안적인 판독 구조의 평면도이다.
도 77은 실시예에 따라, 제1 영역으로부터 용질을 제공하는 물질을 격리시키기 위한 제1 배열을 도시한다.
도 78은 실시예에 따라, 제1 영역으로부터 용질을 분리하기 위한 제2 배열을 도시한다.
도 79는 실시예에 따라, 본 개시의 센서와 함께 사용하기 위한 데이터 획득 회로의 개략도이다.
도 80은 실시예에 따라, 칩 스케일 패키지 내의 기능 회로와 함께 패키징된 본 개시의 실시예를 유지하는 다이를 도시한다.
도 81은 일 실시예에 따라 이 개시의 실시예를 구성하는 농도 센서의 평면도이다.
도 82는 실시예에 따라, 클리어/리셋 기능을 갖는 실시예를 도시한다.
도 83은 실시예에 따라, 코어 회로의 마모의 시간-분해 모니터링하게 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 84는 실시예에 따라, 코어 회로의 마모의 시간-분해 모니터링하게 구성된 마모 모니터링 디바이스를 도시한다.
도 85는 실시예에 따라, 복수의 마모 모니터를 도시한 것으로, 마모 모니터 디바이스의 서로 상이한 것들은 응용에 따라, 전술한 상이한 특징들의 조합을 사용하여 가능해지고 공조될 수 있다.
도 86은 실시예에 따라, 개별 확산 모니터 디바이스에 액세스하는 것이 퓨즈에 의해 공조될 수 있는 어레이로 배열된 복수의 마모 모니터를 도시한다.
도 87은 실시예에 따라, 시간-분해 모니터링을 위한 트랜지스터 및 감지 회로에 각각 연결된 복수의 마모 모니터 또는 영역을 포함하는 마모 모니터의 배열을 도시한다.
도 88은 실시예에 따라, 장벽에 의해 기판으로부터 분리되는 모니터 원자를 각각 포함하는 복수의 저장소를 포함하는 마모 모니터를 도시한다.
도 89는 본 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 기판은 모니터 원자를 측방으로 확산시키기 위한 "고속 포워드" 및/또는 "리와인드" 회로에 연결된다.
도 90은 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 전극은 역방향 바이어스 누설 멀티플렉스된 측정 회로에 연결된다.
도 91은 실시예에 따라, 차동 측정을 위한 기준 구조를 포함하는 역방향 바이어스 누설 멀티플렛스된 측정 회로에 연결된 전극을 도시한다.
도 92는 일 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 복수의 모니터 MOS 트랜지스터의 게이트는 전극으로서 작용한다.
도 93은 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 복수의 모니터 MOS 트랜지스터의 게이트는 전극으로서 작용한다.
도 94는 실시예에 따라, 차동 측정을 위한 기준 구조를 포함하는 역방향 바이어스 누설 멀티플렉스된 측정 회로에 접속된 전극을 도시하며, 측정 회로는 역방향 바이어스 회복 전류를 측정하도록 구성된다.
도 95a는 실시예에 따라, 역방향 바이어스 회복 전류를 측정하도록 구성되고 코어 회로의 마모를 모니터링하기 위한 모니터 다이오드를 포함하는 감지 회로를 도시한다.
도 95b는 도 96a에 도시된 감지 회로를 이용하여 모니터 다이오드가 순방향 바이어스된 구성에서 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭될 때 측정된 전류를 도시한다.
도 96a는 내부에 불순물이 확산되지 않은 기준 다이오드를 포함하는 감지 회로를 도시한다.
도 96b는 도 96a의 기준 다이오드가 도 96a에 도시된 감지 회로를 이용하여 순방향 바이어스된 구성에서 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭될 때 측정된 전류를 도시한다.
도 97은, 모니터 영역 내에서 확산될 때 차지 상태를 갖도록 된 것으로, 모니터 원자가 확산된 모니터 영역에 전계가 인가되었을 때, 전계가 모니터 원자를 모니터 영역으로부터 멀리 저장소로 다시 확산되게 하도록 모니터 원자에 전계를 인가하게 구성된, 모니터 원자를 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 98은 실시예에 따라, 도 97에 도시된 마모 모니터 디바이스의 다양한 영역에 전기적으로 연결된 감지 및/또는 제어 회로를 포함하는 시스템을 도시한다.
도 99는 실시예에 따라, 코어 회로의 마모를 모니터링하도록 구성된 센서 네트워크 시스템을 도시한다.
도 100은 실시예에 따라, 업스트림 시스템에 통신가능하게 연결된 센서 네트워크를 도시한다.
도 101은 실시예에 따라, 클라우드 호스트된 서비스에 통신가능하게 결합된 센서 네트워크를 도시한다.
도 102는 실시예에 따라, 센서가 사설 서버 또는 호스트된 서비스와 직접 통신함으로써 데이터를 수집하도록 구성된 센서 네트워크를 도시한다.
도 103은 실시예에 따라, 센서 네트워크 시스템에 통합하기 위해 다양한 마모 모니터 디바이스에 행해 질 수 있는 다양한 물리적 및 전기적 연결을 도시한다.
도 104는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스에 기초한 예시적 센서 네트워크 시스템을 도시한다.
도 105는 실시예에 따라, 호스트된 서비스와 통신가능하게 결합된 센서 네트워크를 도시한다.
도 106은 실시예에 따라, 호스트된 서비스와 통신가능하게 결합된 센서 네트워크를 도시한다.
도 1은 집적 회로 디바이스의 모집단에 대한 장애 레이트 대 시간을 도시하는 그래프이다.
도 2a는 실시예에 따라, 온-칩 마모 모니터 디바이스를 포함하는 집적 회로 장치를 도시한다.
도 2b는 실시예에 따라, 온-칩 마모 모니터 디바이스 및 기준 디바이스를 포함하는 집적 회로 디바이스를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 실시예에 따라, 마모 스트레스에 응하여 확산 속도가 변화하는 모니터 원자를 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 4a는 실시예에 따라, 모니터 원자로서 인을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 4b는 여러 시간 동안 125℃에서 확산 후, 도 4a의 마모 모니터 디바이스의 실리콘 기판 내의 인의 계산된 농도 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 5a는 실시예에 따라, 모니터 원자로서 금을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 5b 내지 도 5d는 75℃, 100℃ 및 125℃에서 각각 여러 시간 동안 확산 후, 도 5a에 마모 모니터 디바이스의 실리콘 기판 내의 금의 계산된 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 실시예에 따라, 반도체 물질 및 반도체 물질 내에서 확산되도록 구성된 모니터 원자를 포함하는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 박스 영역의 확대도이다.
도 6c는 여러 시간 동안 125℃에서 확산 후,
도 6a 및 도 6b에 마모 모니터 디바이스의 실리콘 디바이스 기판에서의 금의 계산된 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 실시예에 따라, 반도체 물질 내에서 확산되도록 구성된 모니터 원자를 포함하는 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 7b는 실시예에 따라, 도 7a의 모니터 디바이스에 대한 기준 측정을 제공하도록 구성된 기준 디바이스를 도시한 것이다.
도 8은 실시예에 따라, 전류로 야기되는 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 9는 실시예에 따라, 전압으로 야기되는 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 실시예에 따라, PN 접합 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 실시예에 따라 수직 펀치-스루 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 12는 실시예에 따라, 측방 펀치-스루 마모 모니터 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 13a 및 도 13b는 실시예에 따라 금속-산화물-실리콘(MOS) 마모 모니터 디바이스로 구성된 마모 모니터 디바이스를 도면한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스를 위한 모니터 원자를 포함하는 전극을 형성하는 방법을 도시한다.
도 15a-도 15d는 실시예에 따라, PN 접합 및 PN 접합으로 확산되도록 구성된 모니터 원자층을 포함하는 마모 모니터 디바이스의 다양한 구성을 도시한다.
도 16a-16g는 실시예에 따라, 하지의 기판으로의 모니터 원자의 확산 속도를 제어하기 위한 마모 모니터 디바이스의 다양한 구성을 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 실시예에 따라, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)로 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 18a-18d는 실시예에 따라 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 19a 및 도 19c-도 19d는 실시예에 따라 임피던스 측정 디바이스로서 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 19a는 도 19a 및 도 19c-도 19d의 마모 모니터 디바이스의 농도 프로파일의 시간 전개를 개략적으로 도시한다.
도 20a-도 20c는 일부 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스와 함께 사용되도록 구성된 변환 회로를 도시한다.
도 21a-도 21b는 일부 다른 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스와 함께 사용되도록 구성된 변환 회로를 도시한다.
도 22a 내지 도 22c는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스와 기준 디바이스 사이의 출력 신호를 비교하도록 구성된 용량성 프로그래머블 이득 증폭기(PGA) 회로를 도시한다.
도 23a-도 23c는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스의 전류 출력을 증폭하여 전압 신호로 변환하도록 구성된 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)를 도시한다.
도 24는 일부 실시예에 따라, 모니터 디바이스 및 기준 디바이스의 전류 출력을 증폭하여 전압 신호로 변환하기 위해 애노드 바이어스가 멀티플렉스된 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)를 도시한다.
도 25는 실시예에 따라 하나 이상의 마모 모니터 디바이스를 갖는 수명 표시자 시스템을 도시한다.
도 26은 실시예에 따라 하나 이상의 마모 센서를 포함하는 임무 프로파일 모니터링 시스템을 도시한다.
도 27 내지 도 28은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스의 적용을 위한 IC 디바이스에서의 서플라이 전압 가드 밴딩을 도시한다.
도 29는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스를 포함하고 최소 에너지를 사용하거나 없이 모니터링된 데이터를 무선으로 전송하도록 구성된 IC 장치를 도시한다.
도 30a-도 30d는 실시예에 따라 누적 마모 스트레스를 결정하기 위해 산화 또는 부식되도록 구성된 구조를 갖는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예를 도시한다.
도 31은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 어레이로서 측방으로 배열된 복수의 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 32a 및 도 32b는 실시예에 따라 기준 디바이스와 쌍을 이루고 어레이로서 측방으로 배열된 복수의 모니터 디바이스를 도시한다.
도 33a-도 33c는 실시예에 따라 어레이로서 측방으로 배열된 복수의 모니터 디바이스를 도시한다.
도 34는 실시예에 따라, 하나 이상의 마모 모니터 디바이스를 포함하는 시스템 인 패키지(SIP) 또는 임베디 성분을 갖는 시스템의 도면이다.
도 35a 및 도 35b는 각각 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스로서 구성된 ESD 이벤트 검출 회로의 개략도이다.
도 36a-도 36c는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스로서 구성된 ESD 보호 디바이스의 예시적 물리적 레이아웃을 도시한다.
도 37a-도 37c는 실시예에 따라 단일 칩 상에 ESD 보호 및/또는 에너지 하베스트 회로가 통합된 하나 이상의 마모 또는 부식 모니터링 디바이스를 포함하는 수직 통합 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 38a 내지 도 38e는 실시예에 따라 기계적 변형과 관련된 마모 스트레스를 모니터링하기 위해 가요성 기판 내에 또는 그 위에 형성된 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예를 도시한다.
도 39a는 실시예에 따라 전계 강화와 관련된 마모-스트레스를 모니터링하기 위한 하나 이상의 톱니 구조를 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 39b는 실시예에 따라, 도 39a의 마모 모니터 디바이스를 위한 기준 디바이스를 도시한다.
도 40은 실시예에 따라, 반도체 물질 내에서 확산되도록 구성된 모니터 원자들을 포함하는 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 41a는 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압 곡선 및 역방향 바이어스 하에서 브레이크다운을 도시하는 그래프이다.
도 41b는 200℃에서 열 스트레스의 상이한 지속시간이 가해진 후에, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 41c는 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 순방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 42a는 200℃에서 열 스트레스의 상이한 지속시간이 가해진 후에, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 누설 전류를 작도한 차트이다.
도 42b는 다른 온도에서 열 스트레스의 상이한 지속시간이 가해진 후에, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 계산된 누설 전류를 작도한 차트이다.
도 42c는 열 스트레스의 상이한 지속시간 및 온도의 함수로서, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 누설 전류를 작도한 컨투어 차트이다.
도 43a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것으로, 디바이스는 장벽에 의해 기판으로부터 분리되는 모니터 원자의 저장소를 갖는다.
도 43b는 실시예에 따라, 도 43a에 도시된 마모 모니터 디바이스에 인가되는 전기 자극에 의해 야기되는 주울-가열의 시뮬레이션을 도시한다.
도 44a는 실시예에 따라 모니터 원자에 대한 활성화 에너지 레벨을 도시하는 개략적인 3차원 에너지-공간도이다.
도 44b는 실시예에 따라, 물리적 장벽에 의해 기판으로부터 분리되는 모니터 원자의 저장소를 갖는 마모 모니터 디바이스 내의 모니터 원자에 대한 활성화 에너지 레벨을 도시하는 개략적인 2차원 에너지-공간도이다.
도 45는 실시예에 따라 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는 마모 모니터 디바이스 내 모니터 원자에 대한 활성화 에너지 레벨을 도시하는 개략적인 2차원 에너지-공간도이다.
도 46은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 물리적 장벽에 의해 기판으로부터 분리된 모니터 원자의 저장소를 가지며, 모니터 원자들의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한 것이다.
도 47은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 48은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 모니터 원자의 저장소가 물리적 장벽에 의해 기판으로부터 분리된, 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 49a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이에 에너지 장벽을 갖는, 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 49b는 실시예에 따라, 도 49a에 도시된 마모 모니터 디바이스의 저장소에인가된 예시적 전기 자극의 단면도를 도시한다.
도 49c는 도 49b에 도시된 전기 펄스로부터 기인한 시뮬레이션된 전류 밀도 분포의 단면도이다.
도 49d는 주울 가열에 기인한 시뮬레이트된 열 분포의 단면도이다.
도 49e는 도 49b에 도시된 전기 펄스에 기인한 시뮬레이트된 충격 이온화의 단면도이다.
도 49f는 도 49b에 도시된 전기 펄스에 기인한 시뮬레이트된 전위 그레디언트의 단면도이다.
도 50a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 복수의 모니터 구조를 포함하는, 마모 모니터 디바이스의 단면도이다.
도 50b는 실시예에 따라, 도 50a에 도시된 마모 모니터 디바이스에 전기 자극을 공급하게 전기적으로 연결되고 구성된 전류 공급 트랜지스터를 갖는 예시적 제어 회로를 도시한다.
도 51a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도(상측에 도면) 및 평면도(하측에 도면)를 도시한다.
도 51b는 일부 다른 실시예에 따라, 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도이다.
도 52는 일부 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되고, 복수의 행을 갖는 어레이를 포함하는, 마모 모니터 디바이스의 평면도이다.
도 53은 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도로서, 마모 출력 모니터 디바이스는 실시예에 따라 기준점 또는 중심 위치로부터 상이한 방사상 거리에 배열된 복수의 모니터 구조를 갖는 어레이를 포함한다.
도 54a 및 도 54b는 실시예들에 따라, 방사상 외측 방향으로 모니터 원자의 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도 및 평면도이다.
도 55a는 실시예에 따라, 방사상 내측 방향으로 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 장벽을 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 55b는 실시예에 따라, 방사상 내측 방향으로 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 각각이 상이한 장벽을 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 55c는 실시예에 따라, 방사상 내측 방향으로 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 각각이 상이한 장벽 및 상이한 저장소를 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 56a는 실시예에 따라, 측방 방향으로 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 장벽 및 상이하게 구성된 모니터 영역을 포함하는 복수의 모니터 구조를 포함한다.
도 56b는 실시예에 따라, 도 56a에 도시된 마모 모니터 디바이스를 도시한 것으로, 마모 모니터 디바이스의 상이한 영역에의 전기적 연결을 더욱 도시한다.
도 56c는 실시예에 따라, 저장소와 각각의 모니터 영역 사이의 장벽의 각 영역에 개별적으로 전기 자극을 인가함으로써 초기화되도록 구성된 도 56a에 도시된 마모 모니터 디바이스의 등가 회로도이다.
도 56d는 실시예에 따라, 모니터 영역의 전기적 특성에 변화를 측정하게 구성된 도 56a에 도시된 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결된 감지 회로의 일 실시예를 도시한다.
도 56e는 실시예에 따라, 측방 방향으로 국부적인 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스는 저장소에 공통으로 연결된 2세트의 모니터 영역을 포함한다.
도 57은 실시예에 따라, 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 모니터 원자의 복수의 저장소는 와이어 본드로서 구성된다.
도 58은 실시예들에 따라, 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시하며, 모니터 원자의 복수의 저장소는 상이한 와이어 본드로서 구성된다.
도 59는 실시예에 따라, 보호될 코어 회로를 포함하는 다른 수동/이산 성분 및/또는 마이크로프로세서와 함께 패키지-레벨 통합 시스템의 일부로서 임베드 또는 포함된 복수의 마모 모니터 디바이스의 평면도를 도시한다.
도 60a는 실시예에 따라, 보호될 코어 회로를 포함하는 다른 수동/이산 성분 및/또는 마이크로프로세서와 함께 임베드 또는 포함된 복수의 마모 모니터 디바이스를 포함하는 패키지-레벨 통합 시스템의 단면도를 도시하며, 장벽은 광의 광자에 의해 변경되도록 구성된 물질로 형성된다.
도 60b는 실시예에 따라, 제어 및/또는 감지 회로를 포함하는 다른 시스템 상에 장착되는 도 60a에 도시된 시스템을 도시한다.
도 61은 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시하며, 표시는 모니터 원자와 모니터 원자의 저장소 사이의 상호확산에 기초한다 .
도 62a는 실시예에 따라, 모니터 원자의 국부화된 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시하며, 표시는 모니터 원자의 저장소와 모니터 영역 사이의 상호확산에 기초한다.
도 62b는 실시예에 따라, 원자의 상호확산에 기인한 저장소에 대한 구조적 수정과 관련된 전기적 서명을 검출하도록 구성된 감지 회로에 전기적으로 연결된 도 62a에 도시된 마모 모니터 디바이스의 확대도이다.
도 63a-도 63d는 실시예에 따라, 원자의 상호확산에 기초한 전기적 서명이 코어 회로의 마모를 측정하기 위해 이용될 수 있도록 구성된 마모 모니터 디바이스의 단면도이다.
도 64a는 누적 등가 일정 열 마모 스트레스에 기인한 모니터 원자의 농도 프로파일을 도시한다.
도 64b는 누적 시변 열 마모 스트레스에 기인한 모니터 원자의 농도 프로파일을 도시한다.
도 65는 평균 온도에 대한 그리고 이동 평균 온도에 대한 온도 변동들을 비교하는 그래프이다.
도 66a 내지 도 66c는 일부 실시예에 따라 온도 센서의 개략도이다.
도 67은 일부 다른 실시예에 따라 온도 센서의 개략도이다.
도 68은 실시예에 따라, 센서 몸체를 따라 확산된 물질을 이동시키기 위한 외부 전압원을 포함하는 온도 센서의 개략도이다.
도 69는 실시예에 따라 센서 내의 도펀트 밀도를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 70a는 일 실시예에 따라 센서 내의 거리의 함수로서 그레이드된(단계적) 도핑 농도 프로파일을 개략적으로 도시한다.
도 70b는 도 14a의 도핑 농도 프로파일에 대응하는 거리의 함수로서 전계를 개략적으로 도시한다.
도 70c는 도 14a의 도핑 농도 프로파일에 대응하는 전기 전위를 개략적으로 도시한다.
도 71은 전계의 영향 하에 시간의 함수로서 물질의 확산된 영역의 이동을 개략적으로 도시한다.
도 72는 확산 및 드리프트의 조합된 효과를 도시하는 그래프이다.
도 73은 실시예에 따라, 판독 구조의 단면도이다.
도 74는 도 17의 판독 구조의 평면도이다.
도 75는 A-A' 라인을 따른 도 75의 판독 구조의 단면도이다.
도 76은 실시예에 따라, 대안적인 판독 구조의 평면도이다.
도 77은 실시예에 따라, 제1 영역으로부터 용질을 제공하는 물질을 격리시키기 위한 제1 배열을 도시한다.
도 78은 실시예에 따라, 제1 영역으로부터 용질을 분리하기 위한 제2 배열을 도시한다.
도 79는 실시예에 따라, 본 개시의 센서와 함께 사용하기 위한 데이터 획득 회로의 개략도이다.
도 80은 실시예에 따라, 칩 스케일 패키지 내의 기능 회로와 함께 패키징된 본 개시의 실시예를 유지하는 다이를 도시한다.
도 81은 일 실시예에 따라 이 개시의 실시예를 구성하는 농도 센서의 평면도이다.
도 82는 실시예에 따라, 클리어/리셋 기능을 갖는 실시예를 도시한다.
도 83은 실시예에 따라, 코어 회로의 마모의 시간-분해 모니터링하게 구성된 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 84는 실시예에 따라, 코어 회로의 마모의 시간-분해 모니터링하게 구성된 마모 모니터링 디바이스를 도시한다.
도 85는 실시예에 따라, 복수의 마모 모니터를 도시한 것으로, 마모 모니터 디바이스의 서로 상이한 것들은 응용에 따라, 전술한 상이한 특징들의 조합을 사용하여 가능해지고 공조될 수 있다.
도 86은 실시예에 따라, 개별 확산 모니터 디바이스에 액세스하는 것이 퓨즈에 의해 공조될 수 있는 어레이로 배열된 복수의 마모 모니터를 도시한다.
도 87은 실시예에 따라, 시간-분해 모니터링을 위한 트랜지스터 및 감지 회로에 각각 연결된 복수의 마모 모니터 또는 영역을 포함하는 마모 모니터의 배열을 도시한다.
도 88은 실시예에 따라, 장벽에 의해 기판으로부터 분리되는 모니터 원자를 각각 포함하는 복수의 저장소를 포함하는 마모 모니터를 도시한다.
도 89는 본 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 기판은 모니터 원자를 측방으로 확산시키기 위한 "고속 포워드" 및/또는 "리와인드" 회로에 연결된다.
도 90은 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 전극은 역방향 바이어스 누설 멀티플렉스된 측정 회로에 연결된다.
도 91은 실시예에 따라, 차동 측정을 위한 기준 구조를 포함하는 역방향 바이어스 누설 멀티플렛스된 측정 회로에 연결된 전극을 도시한다.
도 92는 일 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 복수의 모니터 MOS 트랜지스터의 게이트는 전극으로서 작용한다.
도 93은 실시예에 따라, 모니터 원자의 저장소 및 시간-분해 모니터링을 위한 복수의 전극이 형성된 기판을 포함하는 마모 모니터를 도시하며, 복수의 모니터 MOS 트랜지스터의 게이트는 전극으로서 작용한다.
도 94는 실시예에 따라, 차동 측정을 위한 기준 구조를 포함하는 역방향 바이어스 누설 멀티플렉스된 측정 회로에 접속된 전극을 도시하며, 측정 회로는 역방향 바이어스 회복 전류를 측정하도록 구성된다.
도 95a는 실시예에 따라, 역방향 바이어스 회복 전류를 측정하도록 구성되고 코어 회로의 마모를 모니터링하기 위한 모니터 다이오드를 포함하는 감지 회로를 도시한다.
도 95b는 도 96a에 도시된 감지 회로를 이용하여 모니터 다이오드가 순방향 바이어스된 구성에서 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭될 때 측정된 전류를 도시한다.
도 96a는 내부에 불순물이 확산되지 않은 기준 다이오드를 포함하는 감지 회로를 도시한다.
도 96b는 도 96a의 기준 다이오드가 도 96a에 도시된 감지 회로를 이용하여 순방향 바이어스된 구성에서 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭될 때 측정된 전류를 도시한다.
도 97은, 모니터 영역 내에서 확산될 때 차지 상태를 갖도록 된 것으로, 모니터 원자가 확산된 모니터 영역에 전계가 인가되었을 때, 전계가 모니터 원자를 모니터 영역으로부터 멀리 저장소로 다시 확산되게 하도록 모니터 원자에 전계를 인가하게 구성된, 모니터 원자를 갖는 마모 모니터 디바이스를 도시한다.
도 98은 실시예에 따라, 도 97에 도시된 마모 모니터 디바이스의 다양한 영역에 전기적으로 연결된 감지 및/또는 제어 회로를 포함하는 시스템을 도시한다.
도 99는 실시예에 따라, 코어 회로의 마모를 모니터링하도록 구성된 센서 네트워크 시스템을 도시한다.
도 100은 실시예에 따라, 업스트림 시스템에 통신가능하게 연결된 센서 네트워크를 도시한다.
도 101은 실시예에 따라, 클라우드 호스트된 서비스에 통신가능하게 결합된 센서 네트워크를 도시한다.
도 102는 실시예에 따라, 센서가 사설 서버 또는 호스트된 서비스와 직접 통신함으로써 데이터를 수집하도록 구성된 센서 네트워크를 도시한다.
도 103은 실시예에 따라, 센서 네트워크 시스템에 통합하기 위해 다양한 마모 모니터 디바이스에 행해 질 수 있는 다양한 물리적 및 전기적 연결을 도시한다.
도 104는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스에 기초한 예시적 센서 네트워크 시스템을 도시한다.
도 105는 실시예에 따라, 호스트된 서비스와 통신가능하게 결합된 센서 네트워크를 도시한다.
도 106은 실시예에 따라, 호스트된 서비스와 통신가능하게 결합된 센서 네트워크를 도시한다.
어떤 실시예의 다음 상세한 설명은 특정 실시예의 다양한 설명을 제공한다. 그러나, 본원에 설명된 혁신은, 예를 들어, 청구 범위에 정의되고 보호되는 바와 같이, 다수의 상이한 방법으로 구체화될 수 있다. 이 설명에서, 유사한 참조 번호는 실질적으로 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낼 수 있는 도면을 참조한다. 도면에 예시된 요소는 반드시 축척대로 도시된 것이 아님을 이해할 것이다. 또한, 어떤 실시예는 도면에 도시된 것보다 많은 요소 및/또는 도면에 도시된 요소의 서브세트를 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 일부 실시예는 2 이상의 도면으로부터의 특징의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 본원에 제공된 표제는 편의를 위한 것일 뿐이며 청구항의 범위 또는 의미에 반드시 영향을 주지는 않다.
본원에 기술된 바와 같이, IC 디바이스의 마모는 사용 또는 환경 요인에 의해 야기되는 IC 디바이스의 임의의 성분 또는 서브-성분의 열화 현상을 지칭한다. 본원에 개시된 바와 같이, 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스는 파워 서플라이를 가지고 또는 없이 코어 회로의 마모를 모니터링할 수 있고, 비교적 넓은 범위의 물리적 조건을 모니터링할 수 있다. 또한, 본원에 개시된 실시예에 따른 마모 모니터는 IC의 코어 회로와 동일한 기판 내에 집적될 수 있는데, 예를 들어, 모놀리식으로 집적될 수 있다. 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스는 코어 디바이스의 마모의 표시를 기록하기 위해 확산 영역 내 또는 확산 영역에서 디퓨전트의 확산을 이용한다. 즉, 실시예는 제품의 수명 동안 마모 메커니즘과 관련된 전기 서명(signature)(예를 들어, 온도, 전압, 전류, 또는 이들의 임의의 조합)을 모니터링, 기록, 및 저장하기 위해, 예를 들어, 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘 기판 내의 영역일 수 있는, 본원에서 모니터 영역이라고도 하는 확산 영역에서, 본원에서 모니터 원자라고도 하는 어떤 확산 원자의 원자 확산을 이용한다. 모니터 원자는, 예를 들어, 저장소에서 저장소와 연통하는 확산 영역으로, 마모 스트레스에 의해 야기되는 모니터 원자의 순 이동이 마모 모니터 디바이스의 전기 서명을 변경하는 마모 모니터 디바이스의 일부로서 통합될 수 있다. IC 내 코어 디바이스의 마모 정도를 정량화하기 위해 제품의 수명 동안 언제든지 전기 서명을 모니터링할 수 있다. 모니터 원자의 이동은 별도의 파워 서플라이 없이 발생할 수 있으므로, 마모 모니터 디바이스는 "수동적"인 것으로 간주될 수 있다.
본 개시의 실시예는 많은 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, IC 디바이스의 이의 수명 동안 마모 상태와 관련된 전기 서명은, 모니터 디바이스에 대한 유효 "파워 서플라이"가 모니터 원자의 확산을 위한 구동력을 제공하는, 도펀트 농도의 농도 그레디언트에 의해 제공되기 때문에, 파워 서플라이 없이 기록될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 비가역적일 수 있는 모니터 원자의 이동은 제품이 일정 기간 동안 노출된 누적 스트레스(들)를 "기록"하는 방법을 제공한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 확산 메카니즘은 통상적인 센서 및 이들의 지원 회로의 서비스 온도를 초과하는 광범위한 조건에 대해 작동할 수 있기 때문에, 개시된 마모 모니터 디바이스는 비교적 극단적인 조건에서 누적 스트레스의 서명을 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 확산 종으로서 적합한 모니터 원자의 선택은 상이한 조건, 예를 들어, 상이한 기간 동안 상이한 온도 및 전계 범위 하에서 상이한 마모 효과를 모니터링하기 위해 적절한 디바이스 기하구조의 선택과 함께 유리하게 이루어질 수 있다. 어떤 실시예에서, 기준 디바이스는 마모 모니터 디바이스의 정확성을 향상시키기 위해 드리프트 및 노이즈를 구별할 뿐만 아니라, 모니터 원자의 시간 전개의 정량적 모니터링이 행해질 수 있게 하는 기준 "초기 조건"을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 마모 모니터 디바이스는 실질적으로 반도체 기판 내에서 확산하지 않는 "통상적인" 도펀트(예를 들어, 실리콘 내 p-형 도펀트 B 및 n-형 도펀트 P 및 As) 이외에 실질적으로 기판 내에서 확산하는 모니터 원자를 가질 수 있고(이하 개시됨), 반면 기준 디바이스는 기준 다바이스가 모니터 원자의 농도 프로파일이 마모 조건 하에서 전개에 따라 제공될 수 있는 반영구적인 "초기 조건"을 제공하게, 모니터 원자를 생략할 수 있다.
도 1은 유사하게 제조된 IC 디바이스의 주어진 모집단에 대해 시간(x-축)에 대해 상이한 장애 메카니즘의 장애 레이트(y-축)를 개략적으로 도시하는 그래프(10)이다. 마모 장애 메커니즘은 일반적으로 3가지 범주로 분류될 수 있다: 초기 "초창기 장애율" 장애로서, 이의 장애 레이트는 초기 단계에서 지배적이고 디바이스 서비스 시간 동안 감소하며, 장애 레이트 곡선(16)으로 표현되고; 랜덤 장애로서, 이의 장애 레이트는 디바이스 서비스 시간에 상대적으로 독립적이고, 장애 레이트 곡선(14)로 표현되고; 마모 장애로서, 이의 장애 레이트는 디바이스 서비스 시간 동안 증가하며, 장애 레이트 곡선(12)로 표현된다. "배스텁 곡선"이라고도 하는 관측된 전체 장애 레이트 곡선(18)은 3개의 장애 레이트 곡선(12, 14, 16)의 합으로 표현될 수 있고, 감소하는 장애 레이트 영역, 이어 상대적으로 일정한 장애 레이트 영역, 이어 증가하는 장애 레이트 영역인 3개의 영역을 갖는 것으로서 설명될 수 있다.
웨이퍼 팹(fab) 기하구조/구조가 피처 크기(예를 들면, 임계 리소그래피 치수)에서 계속 축소됨에 따라, 일정 장애 영역의 상대적 지속시간은 감소하고 마모 장애에 의해 지배되는 증가하는 장애 영역이 점점 더 서비스 시간에 도달됨이 관찰되었다. 이 관찰에 기초하여, 피처 크기 감소에 따라, 마모 장애 국면에 있을 수 있는 반도체 다이 내 성분, 서브-성분, 또는 구조를 식별할 수 있어야 하고 이들을 파멸적인 장애가 발생하기 전에 적절한 조치가 취해질 수 있게 충분히 조기에 플래그할 필요성이 증가하고 있다. 또한, 현장에서(제안된/이론과는 반대로) IC 디바이스의 실제 임무 프로파일/동작 조건을 실시간으로 모니터링할 수 있어야 하고, 편차가 발생하는 경우, 적절한 조치가 취해질 수 있게 플래그할 수 있는 필요성이 증가하고 있다.
마모 모니터 디바이스를 포함하는 IC 장치
도 2a 및 도 2b는 다양한 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스(24a/24b), 예를 들어, 온-칩 마모 모니터 디바이스를 각각 포함하는 집적 회로(IC) 장치(20a, 20b)를 도시한다. 각각의 IC 장치(20a, 20b)는 다양한 유형의 누적 스트레스(예를 들어, 온도, 전압, 전류, 등, 또는 이들의 임의의 조합)을 모니터링하기 위한 코어 회로(22a/22b) 및 마모 모니터 디바이스(24a/24b)를 갖는다. 다양한 실시예에서, 마모 모니터 디바이스(24a/24b)는 코어 회로가 작동되는지 여부에 관계없이 코어 회로(22a/22b)의 마모 표시를 조정하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 코어 회로(22a/22b) 및 마모 모니터 디바이스(24a/24b)는 공통 마모 스트레스를 받을 수 있도록 IC 장치(20a, 20b)의 공통 반도체 기판 내에 형성된다. 예를 들어, 열 마모를 모니터링하기 위해, 공통 기판에 형성된 코어 회로(22a/22b) 및 모니터 디바이스(24a/24b)는 서로 열적으로 연통할 수 있다. 전기 마모를 모니터링하기 위해, 공통 기판에 형성된 코어 회로(22a/22b) 및 모니터 디바이스(24a/24b)는 근접하여 서로 전기적으로 연결될 수 있고 유사한 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 기계적 마모를 모니터링하기 위해, 공통 기판에 형성된 코어 회로(22a/22b) 및 모니터 디바이스(24a/24b)는 유사한 기계적 스트레스, 예컨대 연신, 벤딩, 열팽창, 등을 받을 수 있다. 결과적으로, 모니터 디바이스(24a/24b)에 의해 경험되는 누적 물리적 스트레스는 코어 회로(22a/22b)에 의해 경험되는 누적 물리적 스트레스를 나타낸다. 각각의 IC 장치(20a, 20b)는 마모 모니터 디바이스(24a/24b)에 결합된 감지 회로(26a/26b)를 포함한다. 도 2a의 IC 장치(20a)와는 달리 도 2b의 IC 장치(20b)는 코어 회로(22b) 내의 디바이스의 마모 상태의 정량적 결정을 위해 감지 회로(26b)에 전기적으로 연결된 기준 디바이스(28b)를 추가로 갖는다.
여기에 그리고 명세서 전반에 걸쳐 기술된 바와 같이, 원소 IV 족 물질(예컨대, Si, Ge, C 또는 Sn) 또는 IV 족 물질로 형성된 합금(예컨대, SiGe, SiGeC, SiC, SiSn, SiSnC, GeSn, 등); III-V 족 화합물 반도체 물질(예컨대, GaAs, GaN, InAs, 등) 또는 III-V 족 물질로 형성된 합금; II-VI 족 반도체 물질(CdSe, CdS, ZnSe, 등) 또는 II-VI 족 물질로 형성된 합금으로 형성될 수 있는 도핑된 반도체 기판을 포함한, 그러나 이들로 제한되지 않는, IC 장치가 제조되는 반도체 기판이 다양한 방법으로 구현될 수 있음을 알 것이다. 반도체 기판은 모니터링 온도가 약 500℃를 초과할 것으로 예상되는 응용을 위해 SiC와 같은 고온 물질로 형성될 수 있다.
어떤 실시예에 따라, 기판은 실리콘 온 절연체(SOI) 기판과 같은, 반도체 온 절연체로서 구현될 수 있다. SOI 기판은 전형적으로 매립된 SiO2 층과 같은 절연체층을 사용하여 지지 기판으로부터 상술한 다양한 구조가 격리되는 실리콘-절연체-실리콘 구조를 포함한다. 또한, 본원에 설명된 다양한 구조는 표면 영역에 또는 그 부근에 형성된 에피택셜층에 적어도 부분적으로 형성될 수 있다는 것을 알 것이다.
마모 모니터 디바이스 구조
도 3a 및 도 3b는 실시예에 따라, 스트레스 조건에 응하여 확산 속도가 변화하는 모니터 원자를 갖는 마모 모니터 디바이스(30a/30b)를 도시한다. 마모 모니터 디바이스(30a)는 마모 스트레스, 예를 들어, 열 스트레스를 받기 전에 초기 모니터 디바이스를 나타내고, 마모 모니터 디바이스(30b)는 마모 스트레스를 받은 후에 모니터 디바이스를 나타낸다. 마모 모니터 디바이스(30a/30b)는 반도체 물질(32a/32b), 예를 들어, 제1 유형의 도펀트, 예를 들어, 농도 Nd의 도너 유형 도펀트, 및 모니터 원자(34a), 예를 들어, 농도 Na의 어셉터 유형 도펀트로 도핑된 반도체 기판을 포함한다. 모니터 원자(34a)는 마모 스트레스 하에서 반도체 물질(32a) 내 또는 내부로 확산하도록 구성되고, 모니터 원자(34a)가 확산하는 레이트는 마모 스트레스의 레벨에 따라 변화한다.
도 3a를 참조하면, 초기 마모 모니터 디바이스 구조(30a)의 단면 AA'를 통한 초기 개략적 농도 프로파일(36a)은 수직 방향(x)으로 모니터 원자(Na)의 비교적 급격한 농도 프로파일을 나타낸다. 도 3b를 참조하면, 초기 마모 디바이스 구조(30a)(도 3a)가 마모 스트레스, 예컨대 열 마모 스트레스를 겪은 후에, 모니터 원자(34a)는 반도체 물질(32a) 내로 확산하여, 모니터 원자(34b)가 반도체 물질(32b) 내로 확산되어진 포스트-스트레스 마모 모니터 디바이스 구조(30b)(도 3b)가 되게 한다. 포스트-스트레스 마모 모니터 디바이스 구조(30b)의 단면 BB'을 통과하는 결과적인 개략적 농도 프로파일(36b)은 수직 방향(x)으로 Na의 상대적으로 확산된 농도 프로파일을 나타낸다. 아래에 설명된 바와 같이, 모니터 원자의 농도(Na) 프로파일의 변화는 다양한 방법을 사용하여 전기적으로 검출될 수 있다. 마모 모니터 디바이스(30a)에 누적 마모 스트레스에 기인하는 이러한 변화는 모니터 디바이스 구조(30a/30b)의 전기적 특성에 상응하는 변화를 유도할 수 있으며, 이로부터 코어 회로(22a)의 마모 레벨/22b(도 2a/도 2b)가 결정될 수 있다.
물론, 도 3a 및 도 3b에서 그리고 명세서 전반에 걸쳐, 모니터 원자(34a)가 어셉터 유형 도펀트로서 표현될 수 있지만, 실시예는 이에 한정되지 않음을 알 것이다. 모니터 원자는 도너 유의 도펀트일 수도 있고, 전혀 도펀트가 아니라 오히려 불순물일 수도 있다. 또한, 어셉터 유형 또는 도너 유형 도펀트일 수 있는 도펀트에 추가하여 모니터 원자(34a)가 존재할 수 있다.
도 3a/도 3b에서 그리고 명세서 전반에 걸쳐, 모니터 원자(34a)는 하나 이상의 화학 원소를 포함할 수 있음을 또한 알 것이다.
도 4a는 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스(40)를 도시한다. 마모 모니터 디바이스(40)는 제1 유형의 도펀트, 예컨대 도너로 Nd의 농도로 도핑된 반도체 기판(42), 및 농도 Na를 갖는 모니터 원자(44)를 포함한다. 단면 CC'를 통한 개략적인 초기 농도 프로파일(46a)은 수직 방향(x)에서 Na의 비교적 급격한 농도 프로파일을 나타내고, 단면 CC'를 통한 개략적 포스트-스트레스 농도 프로파일(46b)은 수직 방향(x)에서 Na의 상대적으로 확산된 농도 프로파일을 나타낸다. 특정 예시된 실시예에서, 모의 모니터 원자(44)는 125℃에서 실리콘에 확산하는 인 원자이다.
도 4b는 실시예에 따라, 도 4a의 모니터 디바이스(40)의 모니터 원자(44)의 계산된 농도 프로파일의 그래프(48)이다. 도시된 실시예에서, 계산된 농도는 104 년 내지 107 년 범위의 여러 시간 동안 확산 후 실리콘 내 인(P) 원자의 농도이며, x-축은 도 4a의 개략적 농도 프로파일(46a, 46b)의 x-축을 나타내고, 원점은 농도 프로파일(46a)의 Nd 프로파일과 Na 프로파일 사이의 초기 인터페이스에 대응한다. 그래프(48)가 도시하는 바와 같이, 125℃에서 Si에 P의 확산율가 비교적 낮기 때문에, 예를 들어 농도가 초기 농도의 약 1%로 떨어지는 확산 길이에 의해 측정되는 상당한 확산은 10,000년 후에 0.1nm 미만이다. 즉, 계산에 기초하여, 몇몇 상황, 예를 들어 이상적인 조건 하에서, 인은 열 마모 스트레스 하에서 확산 속도의 변화를 모니터링하기 위해 원자를 모니터링하지 않을 수도 있다.
도 4a/도 4b에 도시된 바와 같이, 주어진 확산 매질, 예를 들어, 반도체 기판에 대한 적절한 모니터 원자를 선택하는 것이 효과적인 마모 모니터 디바이스에 중요할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 확산율은 다음과 같이 표현될 수 있다:
본 발명자들은 일정 범위 내에 확산 활성화 에너지(Ea)를 갖도록 모니터 원자/확산 매질 조합을 선택하는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 실리콘에서의 인의 확산율은 3.66eV의 활성화 에너지에 의해 활성화되는데, 이는 전술한 바와 같이, 이상적인 환경에서 열 스트레스 모니터로서 사용하기에는 비현실적인 마모 모니터 디바이스가 되게 한다. 설명을 위해 그리고 파라미터의 이론이나 정확도에 구애됨이 없이, 실리콘에서 선택된 원자의 확산율은 표 1에 열거된 바와 같다.
표 1. 결정질 Si에서의 선택된 원자 및 분자의 확산율
본 발명자들은 확산율의 활성화 에너지(Ea)가 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스에서 사용될 모니터 원자를 선택하기 위한 하나의 기준이될 수 있다는 것을 발견했다. 일부 실시예에서, 모니터 원자는 반도체 기판에서 예상되는 열 및/또는 전기 마모 스트레스에 따라, 약 0.5eV 내지 약 3.5eV 사이, 약 0.75eV 내지 약 2.5eV 사이, 또는 약 1.0eV 내지 약 1.6eV 사이의 확산 활성화 에너지를 갖는다. 위에 표 1에 기초하여, 적절한 원자는 몇 가지를 나열하면, Al, Co, Pt, S, Ni, Ag, Zn, Au, Cr, Cu, Fe, Na 및 K를 포함할 수 있다. 또한, 적절한 모니터 원자는 어떤 실시예에서 2개 이상의 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모니터 원자는 Al, Co, Pt, S, Ni, Ag, Zn, Au, Cr, Cu, Fe, Na 또는 K 원소 중 둘 이상을 포함할 수 있다.
예로서, 도 5a 내지 도 5d는 1년 내지 10년 범위의 지속시간 동안 75℃, 100℃ 및 125℃의 온도에서 실리콘 내에 금(Au)의 농도 프로파일의 시간 전개를 도시한다. 도 5a를 참조하면, 도 4a의 마모 모니터 디바이스 구조(40)와 유사한 마모 모니터 디바이스 구조(도시 생략)의 개략적인 초기 농도 프로파일(50a) 및 개략적인 포스트-스트레스 농도 프로파일(50b)이 도시되었다. 모니터 원자가 3.66eV의 활성화 에너지를 갖는 인(P) 원자인 도 4a의 개략적인 농도 프로파일(46a, 46b)과는 달리, 개략적인 농도 프로파일(50a, 50b)은 모니터 원자가 금(Au) 원자인 것을 나타낸다. 도 5b 내지 도 5d를 참조하면, 그래프 52, 54 및 56은 1년에서 10년 범위의 여러 시간 동안 확산 후, 각각, 75℃, 100℃ 및 125℃에서 실리콘 내 금의 계산된 농도 프로파일을 도시하며, x 축은 도 4a의 단면 CC'를 통해 x-방향과 유사한 수직 확산 방향을 나타내며, 원점은 Nd 프로파일과 Na 프로파일 사이의 초기 인터페이스에 대응한다. 그래프 52, 54 및 56이 도시하는 바와 같이, Au는 열 스트레스 하에서 확산 속도의 변화를 모니터링하는 데 더 실용적인 75℃, 100℃ 및 125℃의 온도에서 Si에서 확산 속도를 갖는다. 예를 들어, Au에 대해, 농도가 초기 농도의 약 1%로 떨어진 확산 길이는 각각 75℃ 및 125℃에서 약 10년 후 약 160nm 내지 약 1600nm 사이이다. 즉, 도 5b-도 5d에 기초하여, Si 내 Au는 열 마모 스트레스 하에서 확산 속도의 변화를 모니터링 하기 위한 보다 실질적인 확산 시스템이될 수 있다.
도 6a는 실시예에 따라 약 0.5eV 내지 약 3.5eV인 기판 내에 확산 활성화 에너지를 갖는 모니터 원자를 갖는 마모 모니터 디바이스(60)를 도시한다. 도 6b는 도 6a의 점선 박스로 도시된 영역의 확대도이다. 도 2a 및 도 2b의 IC 디바이스(20A, 20B)와 유사하게, 마모 모니터 디바이스(60)는 반도체 기판(62) 및 이 안에 확산되도록 구성된 모니터 원자를 포함하며, 모니터 원자는 스트레스 조건이 모니터 원자가 반도체 기판(62) 내에 확산하는 레이트에 변화를 야기하도록 구성된다.
마모 모니터 디바이스(60)는 n-형 또는 p-형일 수 있는 제1 도펀트 유형으로 도핑된 제1 도핑된 영역(64)을 포함한다. 도 6a/도 6b의 도시된 실시예에서, 제1 도핑된 영역(64)은 고농도로 도핑된 p-도핑 영역, 예를 들어 고농도로 도핑된(p+) 영역이다.
마모 모니터 디바이스(60)는 제1 도핑 유형과 반대되는 제2 도펀트 유형으로 도핑된, 즉, 제1 도핑 유형(64)이 n-도핑될 때 p-도핑되고, 그 반대도 그러한 제2 도핑된 영역(66)을 추가로 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 도핑된 영역(66)은 n-도핑된 영역, 예를 들어, 고농도로 도핑된(n+) 영역이다.
일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스(60)는 제1 또는 제2 도핑된 영역(64 또는 66)보다 실질적으로 낮은 농도로, 제1 또는 제2 도펀트 유형으로 도핑되는 제1 및 제2 도핑 영역(64, 66) 사이에 개재된 개재 영역(65)을 추가로 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 개재 영역(65)은 p-도핑된 영역이다. 따라서, 마모 모니터 디바이스(60)는 P+PN+ 또는 구조로서 구성된 제1 및 제2 도핑 영역(64, 66) 및 개재 영역(65)을 포함할 수 있다.
도 6c는 도 6b의 단면 DD'을 따른 도펀트 프로파일을 나타내는 그래프이다. 프로파일(67a, 67c)은 각각 제1 및 제2 도핑 영역(64, 66)의 p 형 및 n 형 도펀트 프로파일을 나타낸다. 또한, 프로파일(67b)은 기판(62)의 p-형 도펀트 프로파일이다.
도 6a 및 도 6b의 마모 모니터 디바이스(60)의 도핑된 영역은 단지 예로서 도시되고, 다른 실시예가 가능하며, 제1 및 제2 도핑 영역(64, 66)은 제1 영역(64)이 P+, P, P-, N+, N 또는 N- 영역 중 어느 하나를 형성하도록 도핑되고 제2 도핑 영역(66)은 제1 도핑 영역(64)에 도펀트 유형에서 반대인 P+, P, P-, N+, N 또는 N- 영역 중 어느 하나를 형성하도록 도핑되게 각각 도핑된다.
개재 영역(65)이 제1 및 제2 도핑된 영역(64, 66) 사이에 존재할 때, N+NP 구조, N+N-P 또는 N+IP 구조, NN-P 구조, NIP 구조, P+PN 구조, P+P-N 구조, P+IN 구조, PP-N 구조, 또는 PIN 구조 중 어느 하나가 형성될 수 있다.
본원에 그리고 본 개시 전체에 걸쳐 기술된 바와 같이, 도핑 영역은 일반적으로 약 1 x 1013 cm-3 내지 약 1 x 1022 cm-3 사이의 피크 도펀트 농도를 가질 수 있다. 또한, N+ 또는 P+ 영역으로 표시된 고농도 도핑된 영역은 약 1 x 1018 cm-3 또는 약 1 x 1019 cm-3를 초과하는 피크 도핑 농도를 가질 수 있다. 또한, N- 또는 P- 영역으로 표시된 저농도 도핑된 영역은 약 1 x 1014 cm-3 또는 약 1 x 1013 cm-3보다 낮은 피크 도핑 농도를 가질 수 있다.
도 6a의 마모 모니터 디바이스(60)에서, 제1 도핑된 영역(64)은 유전체 층(63)에 형성된 개구를 통해 도펀트, 예컨대 p-형 도펀트를 주입함으로써 형성되는데; 그러나, 실시예는 그와 같이 제한되지 않는다. 예를 들어, 임플란트 마스크로서 유전층(63)을 사용하는 것 대신에 또는 이에 더하여, 다른 마스크(예컨대, 포토레지스트) 및 도핑(예를 들어, 확산) 기술이 사용될 수 있다.
다시 도 6a/도 6b를 참조하면, 마모 모니터 디바이스(60)는 유전체층(63)의 개구를 통해 각각 제1 도핑된 영역(64) 및 제2 도핑된 영역(66)과 접촉하는 제1 전극(68a) 및 제2 전극(68b)을 추가로 포함한다. 도시된 실시예에서, 제1 전극(68a)은 모니터 원자를 포함하거나 이로부터 형성되고 모니터 원자의 저장소로서 작용한다. 제1 전극(68a)은, 마모 모니터 디바이스가 소정의 지속시간 동안 한 세트의 소정의 조건 하에 놓일 때, 제1 전극(68a) 내의 모니터 원자의 일부가 제1 및 제2 도핑된 영역(64, 66) 사이에 형성된 공핍 영역 내로 확산되도록 구성된다. 예를 들어 공핍 영역에서 하지의 반도체 물질 내 확산된 모니터 원자의 농도 및/또는 깊이에 따라, 디바이스(60)의 누적 열 소모 이력, 예를 들어, 누적 열 마모 이력은 적어도 간접적으로 결정될 수 있다.
예로서, 도 6c는 여러 시간 동안 125℃에서 확산 후, 도 6a 및 도 6b에 마모 모니터 디바이스의 실리콘 디바이스 기판에 금의 계산된 농도 프로파일을 나타내는 그래프(69)이다. 특히, 농도 프로파일(67d)은 125℃에서 1-10년 동안 확산 후에 금의 예측된 농도 프로파일을 도시한다. 공핍 영역에서 도펀트의 깊이 및/또는 농도에 관한 정보를 얻고, 표 1에서와 같은 공지된 확산율 식을 사용함으로써, 누적 열 이력 또는 열 마모 레벨이 얻어질 수 있다.
실시예에 따라, 도펀트의 농도 및 제1 도핑된 영역(64), 제2 도핑된 영역(66) 및 개재 영역(65)의 치수/구성은 원하는 디바이스 속성이 얻어지도록 선택됨을 알게될 것이다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 개재 영역(65)이 제2 도핑 영역(66)에 비해 낮은 농도로 도핑되기 때문에, 비교적 큰 공핍 영역이 형성된다. 모니터 원자가 공핍 영역으로 확산될 때, 이하 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 공핍 영역 내의 모니터 원자의 상대적 농도를 정성적으로 및/또는 정량적으로 결정하기 위해 공핍 영역의 다양한 전기적 특성이 만들어 질 수 있다. 따라서, 공핍은 확산되었을 수 있는 모니터 원자의 양을 정량화하기 위한 모니터 영역으로서 역할을 할 수 있고, 이로부터 누적 열 이력이 결정될 수 있다.
따라서, 구성된 바와 같이, 도 6a/도 6b의 마모 모니터 디바이스(60)는 기판의 표면 상에 배치된 모니터 원자(예를 들어, 제1 전극(68a))의 저장소 및 기판에 형성된 모니터 영역(예컨대, 개재 층(65) 내 공핍 영역)을 갖는다. 모니터 원자는 마모 모니터 디바이스가 소정의 지속시간 동안 한 세트의 소정의 스트레스 조건을 받을 때 일부 모니터 원자가 모니터 영역으로 확산하게 기판의 반도체 물질에서 확산 특징을 갖는다. 저장소는 예를 들어 모니터 원자를 내함하는 전극 또는 모니터 원자로 형성된 층을 포함할 수 있다. 모니터 영역은 예를 들어 상술한 바와 같이 PN 접합에 의해 형성된 기판 내의 영역, 예를 들어 공핍 영역을 포함할 수 있다.
도 6a/도 6b의 마모 모니터 디바이스(60)를 포함하는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예는 모니터 영역 내의 모니터 원자의 존재와 관련된 전기적 특성 또는 전기적 서명이 측정될 수 있도록 구성된다. 전기적 서명은 예를 들어, 몇가지를 나열하면, 접합 누설, 접합 커패시턴스, 접합 빌트-인 전위, 접합 역 회복 시간, 바이폴라 베이스 트랜지트 시간(fT), 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터 임계 전압, MOS 채널 서브-임계 스윙, MOS 채널 누설, 펀치-스루 브레이크다운 전압(BV), 및 충격 이온화 브레이크다운 전압(BV)을 포함한다.
모니터 원자들 중 일부를 모니터 영역 내로 확산되게 하는 한 세트의 소정의 스트레스 조건들 및 소정의 지속시간은, 예를 들어, 약 20℃ 내지 약 250℃ 사이, 약 50℃ 내지 약 200℃ 사이, 또는 약 75℃ 내지 약 125℃ 사이의 온도 범위; 예를 들어, 0.01 MV/cm 내지 약 1000 MV/cm 사이, 약 0.1 MV/cm 내지 약 100 MV/cm 사이, 또는 약 1 MV/cm 내지 약 10 MV/cm 사이의 전계; 및 예를 들어, 약 1일 내지 약 1000년 사이, 약 1개월 내지 약 100년 사이, 또는 약 1년 내지 10년의 시간 지속시간을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 마모 모니터 디바이스는 모니터 원자가 배치되는 표면과 모니터 영역 사이의 거리가 확산 길이인 것으로 계산되는 임의의 거리, 예를 들어, 소정의 조건과 소정의 시간 지속시간과의 조합에 기초하여, 피크 표면 농도의 약 1/e로 농도가 감소하는 거리가될 수 있게 구성될 수 있다.
다시 도 2b을 참조하면, 일부 실시예에서, 일부 IC 디바이스는 동일한 반도체 기판 상에 모니터링 디바이스 및 기준 디바이스를 포함한다. 또한, 도 7a 및 도 7b는 이러한 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스(60) 및 기준 디바이스(70)를 도시한다. 도 7a의 마모 모니터 디바이스(60)는 제2 전극(68b)에 대한 제1 전극(68a) 및 제1 도핑 영역(66)의 상대적인 위치를 제외하고는 도 6a/도 6b의 마모 모니터 디바이스(60)와 유사하거나 실질적으로 동일하며, 이들의 변경은 마모 모니터 디바이스(60)의 동작을 변경시키지 않으며, 따라서 마모 모니터 디바이스(60)의 상세한 설명은 여기에서 생략된다. 도 7b의 기준 디바이스(70)는 전극을 제외하고는 도 7a의 마모 모니터 디바이스(60)와 유사하거나 실질적으로 동일하다.
기준 디바이스(70)는 도 6a/도 6b와 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(60)의 PN 접합과 유사하게, 제2 PN 접합을 형성하는 제1 및 제2 도핑 영역(64, 66)을 포함한다. 기준 디바이스(70)의 제1 전극(78a)은 도 7a의 제1 전극(68a)의 모니터 원자들과는 다른 확산 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. IC 내의 모니터된 디바이스의 마모 레벨은 모니터 원자들과 제1 전극(78a)의 전극 물질 사이의 확산 특성에 차이를 이용하여 결정될 수 있다. 일단 제조되면, 기준 디바이스(70)의 제1 전극(78a)의 원자는 도 7a의 모니터 디바이스(60)에서 모니터 원자가 확산되는 조건 하에서 실질적으로 하지의 반도체 물질로 확산되지 않는다. 예를 들어, 기준 디바이스(70)의 제1 전극(78a)은 몇가지를 나열하면, 고농로 도핑된 폴리실리콘, 텅스텐, W, TiN, WN, TaN, TaCN, NiSi, WSi, 등으로 형성될 수 있다. 즉, 마모 모니터 디바이스(60)와 기준 디바이스(70) 둘 다를 포함하는 IC 디바이스가 마모 스트레스를 받았을 때, 마모 모니터 디바이스(60)의 모니터 원자는 이들이 하지의 반도체 물질, 예를 들어, PN 접합에 형성된 공핍 영역 내로 확산하게 충분한 확산 길이를 갖는다. 대조적으로, 기준 디바이스(70)의 제1 전극(78a)의 원자는 IC 디바이스가 마모 스트레스를 받은 후 하지의 반도체 물질이 제1 전극(78a)의 원자가 본질적으로 없도록, 무시할 수 있는 확산 길이(예를 들어, 몇 옹스트롬 미만)를 갖는다.
따라서, 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예에서, IC 디바이스는 각각의 제1 전극(78a, 68a)의 물질을 제외하고, 유사한, 예를 들어 본질적으로 동일한 기준 디바이스(70) 및 마모 모니터 디바이스(60)를 안에 집적하였다. 예를 들어, 마모 모니터 디바이스(60) 및 기준 디바이스(70) 각각은 공핍 영역이 형성된 접합인 P+PN+ 접합 또는 N+NP+ 접합과 같은 PN 접합을 포함하며, 이로부터 이에 확산된 모니터 원자들과 관련된 전기 신호, 예를 들면 역방향 바이어스 누설이 다양한 기술을 사용하여 검출될 수 있다. 그러나, 다른 실시예가 가능하다. 예를 들어, 각각의 제2 전극(78b, 68b)의 물질은 각각의 제1 전극(78a, 68a) 대신에 또는 이에 추가하여 다를 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(78b)은 제1 전극(78a) 대신 또는 이에 추가하여 모니터 원자를 내포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b의 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이, 모니터 원자는 하지의 반도체 물질 내로 확산되도록 구성되지만, 또한 일부 실시예에 따라 코어 회로 및/또는 기준 디바이스를 갖는 IC의 동일한 기판에 집적될 수 있다. 그러나, 적절한 주의를 기울이지 않으면, 모니터 원자는 마모 모니터 디바이스로부터 코어 회로 및/또는 기준 디바이스와 같은 IC의 다른 부분으로 바람직하지 않게 확산할 수 있다. 또한, 일부 모니터 원자는 그레인 경계, 전위(dislocation), 또는 계면과 같은 수정(crystal) 결함의 존재로 인해 벌크 확산율에 기초한 예상 속력보다 빠르게 확산될 수 있다. 그러나, 많은 모니터 원자는 반도체 디바이스를 심각하게 열화시키는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 모니터 원자로 양호한 후보가 될 수 있는 많은 금속, 예컨대 금 및 구리는 실리콘에서 중간-갭 또는 딥 레벨 트랩으로서 알려진 것을 형성하는 것으로 알려져 있다. 중간-갭 센터 또는 딥 레벨 트랩은 반도체 물질의 밴드 갭의 중간 근처에 에너지 상태를 점유한다. 동작에서, 과잉 소수 캐리어, 예를 들어 p-형 반도체 영역내 전자 또는 n-형 반도체 영역 내 정공이 코어 회로 내 반도체 디바이스에서 생성될 때, 모니터 원자의 의도되지 않은 존재에 의해 생성된 중간-갭 센터는 다른 것들 중에서도 소수 캐리어 수명을 저하시키고 누출을 증가시킴으로써 디바이스 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 기준 디바이스에 모니터 원자의 존재는 기준 디바이스로서 자신의 목적을 좌절시킬 수 있다. 따라서, 다양한 실시예에서, 모니터 원자가 마모 모니터 디바이스 밖에 반도체 디바이스에 악영향을 주지 않도록 모니터 원자의 확산을 차단하는 것이 바람직할 수 있다.
도 6a/도 6b 및 도 7a/도 7b를 참조하면, 마모 모니터 디바이스로부터 IC 디바이스의 다른 부분으로 모니터 원자의 바람직하지 않은 확산을 제한하기 위해, 마모 모니터 디바이스(60) 및 기준 디바이스(70) 각각은, 측방으로 일 측 또는 양 측 상에, 격리 영역(61a), 예를 들면, 샐로우 트렌치 격리 영역을 포함할 수 있다. 또한, 마모 모니터 디바이스(60) 및 기준 디바이스(70) 각각은 격리 영역(61b)(61a, 61b)으로 형성된 격리 터브(tub)가 제1 및 제2 도핑된 영역(64, 66) 및 개재 영역(65)을 둘러싸도록, 인접한 격리 영역들 사이에서 측방으로 연장되는 매립 격리 영역(61b), 예를 들면, 실리콘-온-절연체(SOI)의 매립 산화물(BOX)을 가질 수 있다. 격리 터브는 마모 모니터 디바이스(60)로부터, 예를 들어 기준 회로(70) 및/또는 동일 기판 내에 형성된 코어 회로(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2a/도 2b 참조) 내의 디바이스를 포함한 IC 디바이스의 다른 부분으로의 모니터 원자의 의도하지 않은 측방 및 수직 확산을 방지하게 구성된다.
도 2a 및 도 2b와 관련하여 전술한 바와 같이, 실시예에 따른 IC 디바이스는 모니터 원자의 원자와 관련된 전기적 서명을 감지하기 위한 감지 회로를 포함하고, 이로부터 IC 디바이스가 받았을 수 있는 마모 스트레스의 누적 이력, 예를 들어, 열적 또는 전기적 마모 스트레스를 결정한다. 예를 들어, 도 6a/도 6b 및 도 7a/도 7b에 관련하여 기술된 마모 모니터 디바이스(60) 및 기준 디바이스 각각에 대해, 역방향 바이어스 누설이 PN 접합에 걸쳐 측정될 수 있게, 제1 전극(68a, 78a)과 제2 전극(68b, 78b) 사이에 역방향 바이어스가 인가될 수 있다. 각 공핍 영역 내의 불순물 원자의 농도에 비례할 수 있는, 마모 모니터 디바이스(60)와 기준 디바이스(70) 사이의 역방향 바이어스 전류를 비교함으로써, 코어 회로 내 모니터된 디바이스의 마모 정도의 결정이 결정될 수 있다.
도 8을 참조하면, 몇몇 다른 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스(80)가 도시되었다. 마모 모니터 디바이스(80)의 구조적 특징은 도 6a/도 6b의 마모 모니터 디바이스(60)의 대응하는 특징과 유사하고, 따라서 상세한 설명은 여기에선 생략된다. 마모 모니터 디바이스(80)는 예를 들어, 코어 회로 내 유사한 디바이스일 수 있는 코어 회로 내 모니터링되는 구조(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2a/도 2b 참조)를 통과하는 누적 전류와 관련된 마모 정도를 모니터링하기 위한 전류 모니터로서 구성된다. 예를 들어 모니터 구조를 모니터된 구조와 전기적으로 직렬로 배치함으로써, 모니터된 구조를 통과한 누적 전류가 모니터될 수 있다. 도시된 실시예에서, 전류는 마모 모니터 디바이스의 주울-가열에 의해 야기되는 모니터 원자의 확산 속도의 효과를 측정함으로써 간접적으로 모니터된다. 동작에서, 마모 모니터 디바이스(80)의 PN 접합은 전류 기반 마모-스트레스를 반복적 발생을 위해 모니터링된 구조와 직렬로 순방향 바이어스된다. 도 8에서, 주울-가열이 일어나는 영역은 확산 물질(예를 들어, Au)을 함유하는 제1 전극(68a)과 제2 전극(68b) 사이의 순방향 바이어스된 PN 접합과 직렬로 형성된 저항기로서 표현된다. 순방향 바이어스에 응하여, 모니터 구조의 직렬 저항기는 제1 전극(68a)의 모니터 원자가 하지의 기판, 예를 들어 PN 접합에 형성된 공핍 영역으로 확산되게 하는 열을 발생한다. 도시되지는 않았지만, IC는 모니터링 원자를 갖지 않은 도 7b의 기준 디바이스(70)와 유사한 기준 디바이스(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2b 참조)를 포함할 수 있다. 대안으로, 기준 디바이스는 순방향 전류 기반 마모 스트레스를 수신하도록 구성되지 않은 점을 제외하고는 마모 모니터 디바이스(80)와 유사하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 이어서, 마모 모니터 디바이스(80)와 기준 디바이스 사이의 역방향 바이어스 전류를 비교함으로써, 이로부터 모니터된 구조의 마모 상태가 전술한 바와 유사한 방식으로 결정될 수 있다.
도 9를 참조하면, 몇몇 다른 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스(90)가 도시되었다. 마모 모니터 디바이스(90)는 예를 들어, 코어 회로(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2a/도 2b 참조) 내 모니터된 디바이스에 인가된 누적 전계-기반 마모 스트레스를 모니터링하기 위한 전압 모니터 또는 전계 모니터로서 구성된다. 마모 모니터 디바이스(90)의 구조적 특징은 도 6a/도 6b의 마모 모니터 디바이스(60)의 대응하는 특징과 유사하고, 따라서 상세한 설명은 여기에선 생략된다. 마모 모니터 디바이스(90)는 역방향 바이어스되게 그리고 역방향 바이어스된 PN 접합에 의해 발생된 전계으로부터 반복된 전계-기반 마모-스트레스를 수신하기 위해 모니터링된 디바이스와 전기적으로, 예를 들어 전기적으로 병렬로, 연결되도록 구성된다. 전계-기반 마모 스트레스에 응답하여, 모니터링된 불순물 원자, 예를 들어, 하전된 불순물 원자는 모니터링된 영역, 예컨대 역방향 바이어스된 PN 접합의 공핍 영역으로 확산될 수 있다. IC 디바이스는 확산하는 모니터링 원자를 가지지 않는 도 7b의 기준 디바이스(70)와 유사한 기준 디바이스(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2a/도 2b 참조)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 기준 디바이스는 역방향 바이어스된 PN 접합에 의해 야기된 전계 마모 스트레스를 수신하도록 구성되지 않는 것을 제외하고는 마모 모니터 디바이스(90)와 실질적으로 동일할 수 있다. 이어서, 마모 모니터 디바이스(90)와 기준 디바이스 사이의 역방향 바이어스 전류를 비교함으로써, 이로부터 모니터된 구조의 마모 상태가 결정될 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, PN 접합의 마모 레벨을 모니터링하도록 구성된 마모 모니터링 디바이스(100a/100b)가 도시되었다. 또한, 도 10a 및 도 10b는 사용에 관계된 마모 스트레스, 예컨대 반복된 마모 스트레스를 받기 전(100a) 및 이후(100b)의 마모 모니터 디바이스를 나타낸다. 마모 모니터 디바이스(100a/100b)는 제1 도펀트 유형, 예컨대 도너로 농도 Nd로 도핑된 제1 도핑 영역(102a/102b), 및 제2 도핑 유형, 예컨대 어셉터로 농도 Na로 도핑된 제2 도핑 영역(104a/104b)을 포함한다. 제2 도핑 영역(104a/104b)은 모니터 원자를 포함하며, 여기서 모니터 원자는 하지의 반도체 물질로, 예를 들어 PN 접합의 공핍 영역으로 확산되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 모니터 원자는 농도 Na를 갖는 어셉터 원자 이외에 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 모니터 원자는 농도 Na를 갖는 어셉터 원자가 적어도 부분적으로 모니터 원자일 수 있도록 어셉터 원자로서 작용할 수 있다. 다른 실시예에서, 모니터 원자는 도 6a/도 6b와 관련하여 전술한 바와 같이 전극층의 부분으로서 존재할 수 있다. 전술한 바와 같이, 마모 스트레스는 모니터 원자가 하지의 반도체 물질로 확산하는 레이트에 변화를 야기한다. 초기 마모 모니터 디바이스(100a)의 단면 DD'을 통한 초기 개략도 농도 프로파일(106a)은 수직 방향(x)에서 Na의 비교적 급격한 농도 프로파일을 나타낸다. 마모 모니터 디바이스(100a)는 도 8에 도시된 바와 같은 순방향 바이어스 및/또는 도 9에 도시된 바와 같은 역방향 바이어스에서, 마모 스트레스, 예를 들어 도 6a 내지 도 6c에 기술된 바와 같이 열 마모 스트레스를 받을 수 있다. 마모 스트레스를 받은 후에, 사이클링된 마모 모니터 디바이스(100b)의 단면 DD'을 통한 개략적 농도 프로파일(106b)은 수직 방향(x)으로 Na의 상대적 확산 농도 프로파일을 나타낸다. 농도 프로파일(106a, 106b)과 관련된 전기적 서명(예를 들어, 역방향 바이어스 누설)을 비교함으로써, 모니터된 구조(106b)의 마모 상태가 결정될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 인접한 고농도 도핑 영역 사이의 펀치-스루 특징을 모니터링하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(110a/110b)를 도시한다. 본원에 기재된 바와 같이, 펀치-스루 효과는 2개의 분리되지만 인접한 고농도로 도핑된 영역의 공핍 영역이 합쳐지는 현상을 말한다. 예를 들어, MOS(metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터에서, 소스와 드레인 사이의 펀치-스루 효과는 드레인-소스 전압이 증가함에 따라 채널 전류가 급격히 증가되게 하는데, 이는 펀치-스루가 발생하는 전압이 IC 디바이스의 동작 전압을 제한할 수 있기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 도 11a 및 도 11b는 사용에 관계된 마모 스트레스를 받기 전(110a) 및 이후(110b)의 마모 모니터 디바이스를 나타낸다. 마모 모니터 디바이스(100a/100b)는 제1 도펀트 유형, 예컨대 도너로 농도 Nd로 도핑된, 매립된 도핑 영역일 수 있는, 제1 고농도 도핑 영역(116a/116b), 및 제2 도핑 유형, 예컨대 어셉터로 농도 Na로 도핑된 제2 고농도 도핑 영역(114a/114b)을 포함한다. 일부 실시예에서, 모니터 원자는 농도 Na를 갖는 어셉터 원자 이외에 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 모니터 원자는 농도 Na를 갖는 어셉터 원자가 적어도 부분적으로 모니터 원자일 수 있도록 어셉터 원자로서 작용할 수 있다. 다른 실시예에서, 모니터 원자는 도 6a/도 6b와 관련하여 전술한 바와 같이 전극층의 부분으로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 제1 고농도 도핑된 영역(116a/116b)과 제2 고농도 도핑된 영역(114a/114b)을 반복적으로 역방향 바이어싱함으로써 모니터 구조의 반복된 사이클링후, 제1 고농도 영역(116a/116b)과 제2 고농도 도핑 영역 영역(114a/114b) 사이에 유효 폭은 도시된 바와 같이 W로부터 W'로 감소하고, 관련된 전기 서명(예를 들어, 펀치-스루 전압)은 이로부터 코어 회로에서 모니터링된 디바이스의 마모 상태를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
도 12를 참조하면, 도 11a 및 도 11b의 마모 모니터 장치(110a/110b)와 유사하고 인접 고농도 도핑 영역 사이의 펀치스루 특징을 모니터링하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(120a/120b)가 도시되었다. 그러나, 도 11a/도 11b의 마모 모니터 장치(110a/110b)와는 대조적으로, 제1 고농도 도핑 영역(124a/126a) 및 제2 고농도 도핑 영역(124b/126b)은 수직으로 분리되는 대신에 측방으로 분리된다. 모니터 원자는 도 11a 및 도 11b의 제2 고농도 도핑 영역(114a/114b)과 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 제1 및 제2 고농도 도핑 영역(124a, 124b) 중 하나 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. 도 12는 도 11a 및 도 11b와 관련하여 전술한 바와 유사한 방식으로 사용 관련 마모 스트레스를 받기 전(120a) 및 이후(120b)의 마모 모니터 디바이스를 나타낸다. 도 11a 및 도 11b와 관련하여 상술한 것과 유사한 방식으로, 제1 고농도 도핑 영역(124a/126a)과 제2 고농도 도핑 영역(124b/126b) 사이의 유효 폭은 도시된 바와 같이 W에서 W'로 감소하고, 연관된 전기 서명(예를 들어 펀치-스루 전압)은 이로부터 모니터링된 구조의 마모 상태를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 실시예에 따라, 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터의 채널 열화를 모니터링하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(130a/130b)가 도시되었다다. 마모 모니터 디바이스(130a/130b)는 반도체 기판(132)에 형성된 소스(132) 및 드레인(134)을 포함한다. 마모 모니터링 디바이스(130a/130b)는 게이트 유전체(135) 및 게이트(136a/136b)를 추가로 포함한다. 도 13a 및 도 13b는 사용 관련 마모 스트레스를 받기 전(130a) 및 그 후의(130b) 마모 모니터 디바이스를 나타낸다. 마모 모니터 디바이스(130a/130b)는 코어 회로에서 유사하게 구성된 MOS 트랜지스터일 수 있는 모니터링된 디바이스(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2b 참조)의, 예를 들면, 사용 관련 마모를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 마모 모니터 디바이스(130a/130b)에서, 모니터 원자는 MOS 트랜지스터로서 구성된 마모 모니터 디바이스(130a/130b)의 소스(132), 드레인(134) 또는 게이트(136a/136b) 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 모니터되는 구조와 유사한 방식으로 마모-스트레스, 예를 들어, 열 스트레스 또는 마모 모니터 디바이스(130a/130b)의 반복된 사이클링을 거친 후에, 모니터링되는 디바이스의 마모 레벨이 결정될 수 있다. 예를 들어, 마모 스트레스를 받은 마모 모니터 디바이스(130b)를 마모 스트레스를 받지 않은 또 다른 모니터 구조일 수 있는 기준 디바이스(명료성을 위해 도시되지 않음, 도 2b 참조)와 비교함으로써, 관련 전기적 서명은 이로부터 모니터링된 구조(130a/130b)의 마모 상태를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 모니터 원자는 도 13b의 확산된 채널 영역(138b)을 형성하기 위해 도 13a의 초기 채널 영역(138a)으로 확산될 수 있다. 이러한 열화는, 예를 들어, 전류-전압 측정과 같은 트랜지스터 파라미터를 측정함으로써 검출될 수 있다.
도 14a 내지 도 14b를 참조하면, 일부 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스의 제조 방법이 도시되었다. 특히, 방법은 모니터 원자의 저장소를 형성하는 것에 관한 것이다. 금의 층과 같은 모니터 원자층에 직접 접촉하는 것은 불량한 접촉으로 인한 불량한 접촉 및/또는 박리와 같은 결함을 초래할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 임의의 이론에 구애됨이 없이, 이러한 결함은 일부 확산 물질과 반도체 기판 사이의 비교적 높은 계면 에너지에 의해 야기될 수 있다. 이러한 결함이 없는 이러한 불순물 원자의 저장소를 생성하기 위해, 확산 물질의 순수한 층 대신에 확산 물질을 갖는 혼합층이 형성될 수 있다. 혼합은 다른 형태의 혼합 중에서 합금층, 화합물, 도핑된 층 또는 기계적 혼합일 수 있다.
예로서, 중간 모니터 구조(140a)가 도 14a에 도시되었는데, 이는 도 6a/도 6b와 관련하여 전술한 모니터 구조와 유사하게, 개재 영역(145)에 의해 개재된 제1 도핑 영역(144) 및 제2 도핑 영역(146)이 형성되는 기판(142)을 포함한다. 도 6a/도 6b와는 달리, 제1 도핑된 영역의 표면 상에 모니터 원자층, 예를 들어, 금 원자층을 직접 형성하는 대신에, 폴리실리콘층과 같은 부착층(149)이 모니터 원자층(148a)과 제1 도핑 영역(144)의 하지의 반도체 물질 사이에 형성될 수 있다. 이어서, 중간 모니터 구조(140a)가 열 어닐링을 받아, 모니터 원자, 예를 들면 금으로 적어도 부분적으로 함침되거나 또는 포화된 부착층, 예를 들면 폴리실리콘층을 갖는 마모 모니터 디바이스(140b)가 된다. 모니터 원자의 저장소로서 작용하는 전극(148b)은 순수 모니터 원자층과 비교하여 하지의 실리콘에의 개선된 부착 특성을 갖고 형성된다. 다른 실시예가 가능한데, 예를 들어, 금 및 폴리실리콘의 혼합층이 실리콘 표면 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 양호한 부착 특성을 갖는 상대적으로 고농도의 금을 보유할 수 있는 유전체 물질 또는 칼코게나이드 물질과 같은 또 다른 물질이 개재층(149)으로서 사용될 수 있다. 개재층과 형성 방법과의 특정한 조합은 사용될 특정 마모 확산 물질의 유형 및 농도에 좌우될 수 있음은 이해될 것이다.
도 15a 내지 도 15d를 참조하면, 실시예에 따라 PN 접합을 포함하는 마모 모니터 디바이스의 다양한 구성(150a-150d)이 도시되었다. 각각의 구성(150a-150d)에서, PN 접합이 기판(152) 내에 형성될 수 있다. 제1 도펀트 유형으로 도핑된 제1 도핑 영역(154a-154d)은 모니터 원자의 저장소로서 작용하는 제1 전극(158a-158d)과 접촉하고, 제2 도펀트 유형으로 도핑된 제2 도핑 영역은 다양한 구성으로 형성된다. 구성(150a-150d)에서, 제2 도핑 영역은 기판(152)(도 15a), 기판(152) 내에 형성된 웰(155b)(도 15b), 기판(152) 내에 형성된 매립 콜렉터 영역(156c)(도 15c), 및 기판(152) 내에 형성된 웰(155)에 형성된 매립 콜렉터 영역(156d)(도 15d)로서 구성된다. 제1 및 제2 도핑 영역의 도펀트 농도는 모니터 영역의 특징을 재단하기 위해서, 예를 들어, 전술한 바와 같이, 다른 특징들 중에서도, 안에 형성된 공핍 영역의 치수를 재단하기 위해 및/또는 빌트-인 전압을 재단하기 위해, 다르게될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 비교적 큰 공핍 영역이 요구되는 경우, 저장소와 접촉하는 도핑된 영역은 고농도로 도핑될 수 있지만, 저장소와 접촉하지 않는 도핑된 영역은 상대적으로 저농도로 도핑될 수 있다.
도 16a 내지 도 16d를 참조하면, 실시예에 따라, 기판에 물리적으로 액세스를 제한함으로써 하지의 기판으로 확산하는 모니터 원자의 플럭스 또는 확산 속도가 제어되는 마모 모니터 디바이스의 다양한 구성이 도시되었다. 도 16a를 참조하면, 모니터 원자 저장소로서 작용하는 제1 전극(168a)과 제1 도핑 영역(164a) 간에 접촉 면적(폭으로 표현되는)은 기판 상에 형성된 유전체 마스크(163)를 관통하는 개구의 크기를 제약함으로써 제약될 수 있어, 기판 내로 모니터 원자의 확산을 제한한다. 도 16b를 참조하면, 유전체 마스크(163)를 통한 개구의 크기를 제한하는 것에 더하여, 개구의 수는 필요에 따라 더 증가되거나 감소될 수 있다. 도 16c를 참조하면, 제1 전극 사이의 접촉 면적은 필드 산화물 영역들 사이에 또는 이를 통해 형성된 개구 내에 추가의 확산-방지층(165), 예컨대 질화물층을 형성함으로써 더욱 감소될 수 있다. 도 16d-도 16e를 참조하면, 하지 기판으로의 확산에 가용한 모니터 원자의 플럭스는 모니터 원자의 저장소로서 작용하는 제1 전극(168a-168d) 아래의 부착층(169d-169g)을 사용하여 더욱 제약될 수 있다. 예를 들어 폴리실리콘으로 형성될 수 있고 각각의 제1 전극(168a, 168b, 168c)과 각각의 제1 도핑 영역(164a, 164b, 164c) 사이에 개재될 수 있는 부착층(169d-169f)의 존재를 제외하고는, 도 16d, 도 16e 및 도 16f의 마모 모니터 디바이스(160d, 160e, 160f)는 각각 도 16a, 도 16b 및 도 16c의 마모 모니터 디바이스(160a, 160b, 160c)와 실질적으로 동일하다. 도 16g를 참조하면, 제1 전극(168c)과 제1 도핑 영역(164c) 사이의 접촉 면적은 추가의 확산 방지층(165)을 통해 형성된 개구 내에 스페이서(167), 예컨대 질화물 스페이서층을 형성함으로써 더욱 감소될 수 있다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 실시예에 따라, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)로 구성된 마모 모니터 디바이스(170a, 170b)가 도시되었다. 불순물 원자의 저장소로서 작용하는 제1 전극(178a)에 의해 접촉되는 제1 도펀트 유형으로 도핑된 제1 도핑된 영역(174)은 표면 영역에 형성될 수 있고, BJT의 이미터로서 구성될 수 있다. 제2 전극(178b)에 의해 접촉되는 제1 도펀트 유형과 반대인 제2 도펀트 유형으로 도핑된 제2 도핑된 영역(175)은 BJT의 베이스로서 작용할 수 있다. 제3 전극(178c)에 의해 접촉되는 제1 도펀트 유형으로 도핑된 제3 도핑된 영역(176a, 176b)은 BJT의 콜렉터로서 기능할 수 있다. 도 17a에서, 콜렉터 영역은 딥 웰로 형성되고, 도 17b에서, 콜렉터 영역은 매립 콜렉터 영역으로 형성된다. 또한, 도 17b에서 제1 도펀트 유형으로 도핑된 매립 영역은 제2 도펀트 유형으로 도핑된 웰 아래에 형성될 수 있으며, 그럼으로써 BJT의 베이스/콜렉터 접합을 형성한다. 이와 같이 하여 형성된 BJT는 열, 전류 및/또는 전압 스트레스를 포함하는 다양한 스트레스로 인한 마모를 모니터링하도록 구성될 수 있다.
도 18a 내지 도 18d를 참조하면, 실시예에 따라, 예를 들어, 코어 회로에서 동일 기판 상의 다른 어떤 곳에 유사하게 구성된 MOS 트랜지스터일 수 있는, 코어 회로(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2a/도 2b 참조)에 모니터링된 구조의 마모를 모니터링하기 위한, MOS 트랜지스터로 구성된 마모 모니터 디바이스(180a-180d)가 도시되었다. 각각의 마모 모니터 디바이스(180a-180d)는 반도체 기판(182) 내에 형성된 소스(182) 및 드레인(184)을 포함한다. 마모 모니터 디바이스(180a-180d) 각각은 게이트 유전체(185) 및 게이트(186a-186d)를 추가로 포함한다. 마모 모니터 디바이스(180a-180d) 각각은 모니터 원자의 저장소를 배치하기 위한 상이한 구성을 갖는다. 예를 들어, 모니터 원자는 게이트(186a)(도 18a) 위에, 별도의 층(189b), 예를 들어, 폴리실리콘층으로서, 게이트(186b) 위에 또는 소스(182) 및 드레인(184) 중 하나 또는 둘 다에, 별도의 층(189)(도 18b), 예를 들면, 확산 물질로 도핑된 매립 산화물로서, 소스/드레인(182/184) 상에 직접적으로 모니터 원자층(187c)으로서(도 18c), 또는 드레인 소스/드레인(182/184) 상에 형성된 모니터 원자로 도핑된 저장소 층(187d)으로서(도 18d) 배치될 수 있다. 게이트(186a/186b) 상에 혹은 이의 부분으로서 배치될 때, 마모 모니터 디바이스(180a/180b)는 임계 전압에 열화, 서브-임계 경사, 계면 전하, 게이트 유전체(예를 들어, 시간-의존성 유제체 브레이크다운), 오프 상태 누설, 온/오프 비, 핫 채널 주입, 등에 관계된 다양한 마모 메카니즘을 모니터하기 위해 사용될 수 있다. 소스(182) 및 드레인(184) 중 하나 또는 둘 모두에 또는 이들의 부분으로서 배치될 때, 마모 모니터 디바이스(180c/180d)는 펀치-스루, 단-채널 효과, 접합 캐패시턴스, 등을 모니터하기 위해 사용될 수 있다.
도 19a를 참조하면, 실시예에 따라 마모 상태의 표시자로서 임피던스를 감지하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(190a)가 실시예에 따라 도시되었다. 마모 모니터 디바이스(190a)는 내부에 제1 단자(T1)에 공통으로 연결된 모니터 구조(194a) 및 기준 구조(192)가 형성된 기판(198)을 포함한다. 기준 구조(192)는 제2 단자(T2)에 또한 더욱 연결되고, 모니터 원자가 도핑된 불순물 영역(193)을 갖는다. 모니터 구조(194a)는 제3 단자(T3)에 더욱 연결되고, 기준 구조(192)의 불순물 영역(193)과 동일한 모니터 원자가 도핑된 불순물 영역(196a)을 갖는다. 기준 구조(192)의 불순물 영역(193)은 확산 장벽 구조(195)에 의해 둘러싸여 있지만, 모니터 구조(194)에는 이러한 엔클로저가 존재하지 않는다. 일부 실시예에서, 불순물 영역(193) 및 불순물 영역(193)은 모니터 원자의 동일하거나 유사한 농도 프로파일을 갖는다. 마모 스트레스, 예컨대 열 마모 스트레스를 받았을 때, 모니터 구조(194a)의 불순물 영역(196a)은, 불순물 영역(193) 내의 모니터 원자의 제한된 확산과 비교하여 불순물 영역(196a)에서의 모니터 원자의 자유 확산에 기인하여, 초기 농도에 비해 그리고 모니터 구조(194a)의 불순물 영역(196a)에 비해 모니터 원자의 농도가 낮을 것이다. 대조적으로, 기준 구조(192)의 불순물 영역(192)은 불순물 원자의 상대적으로 변함없는 농도를 가질 것이다. 코어 회로(명료성을 위해 도시되지 않음, 도 2a/도 2b 참조)에서 모니터링된 디바이스의 마모 정도는 임피던스 측정의 결과적인 변화에 기초하여 측정될 수 있는데, 이것은 작은 시간 스케일 및/또는 더 낮은 온도에서 모니터 불순물 원자의 농도에 비교적 작은 변화를 해상할 수 있고, 그럼으로써 마모 모니터 장치(190a)를 특히 쉘프-라이프 응용에 적합해지게 한다. 도 19b는 T1과 T2 사이에서 측정된 기준 구조(192)의 임피던스 Za 및 T1과 T3 사이에서 측정된 모니터 구조(196a)의 가변 임피던스 Zb(t)의 시간 전개를 개략적으로 도시하는 그래프(191)를 도시한다. 도시된 바와 같이, Za는 마모 스트레스를 받은 후에 비교적 작은 정도만큼 변화하지만, Zb(t)는 도시된 바와 같이 비교적 큰 정도로 변화한다. Zb(t)의 시간 전개에 기초하여, 코어 회로에 모니터링되는 디바이스의 마모 상태가 결정될 수 있다.
도 19c를 참조하면, 실시예에 따라 마모 상태의 표시자로서 임피던스를 감지하도록 구성된 마모 모니터링 디바이스(190c)가 도시되었다. 마모 모니터 디바이스(190c)는 마모 모니터 디바이스(190c)에서 모니터 구조(194a)의 불순물 영역(196b)이 부분 확산 장벽 구조(197)에 의해 부분적으로 둘러싸여있는 것을 제외하고, 도 19a의 마모 모니터 디바이스(190a)와 실질적으로 동일하다. 부분 확산 장벽 구조(197)는 불순물 영역(196b)로부터 모니터 원자의 확산이 부분적으로 제약되게 개구를 갖는다. 이러한 구성은 모니터 원자의 예상되는 확산이 상대적으로 빠를 때, 모니터 원자의 농도 혹은 Zb(t)에서 너무 빠른 변화를 방지하는데 유용할 수 있다.
도 19d를 참조하면, 실시예에 따라 마모 상태의 표시자로서 임피던스를 감지하도록 구성된 마모 모니터링 디바이스(190d)가 도시되었다. 도 19의(a)의 마모 모니터 디바이스(190a) 및 도 19c의 190c와는 달리, 마모 모니터 디바이스(190d)는 분리되어 있는 모니터 구조 및 기준 구조를 갖지 않는다. 대신에, 마모 모니터 디바이스(190d)는 기준 영역(192d) 내의 모니터 원자가 모니터 영역(194d) 내로 측방으로 확산되도록, 장벽 구조(195d)에 의해 둘러싸인 모니터 영역(194d) 및 기준 영역(192d)을 갖는다.
다른 이유 중에서도, 마모 레벨의 임피던스 측정에 기초한 결정을 위해 반도체 접합이 필요하지 않기 때문에, 마모 모니터 디바이스(190a, 190b, 190d)는 유용할 수 있음을 알게 될 것이다. 결과적으로, 기판(198)의 물질은 절연체(예를 들어, SiO2, 사파이어) 또는 본원에 개시된 임의의 반도체 기판을 포함하는 임의의 적합한 확산 매질일 수 있다. 따라서, 모니터 디바이스를 설계하기 위해 추가의 자유도, 즉 확산 매질이 이용가능하다. 또한, 모니터 원자가 적어도 기준 영역으로부터 자유롭게 확산되는 것이 방지되기 때문에, 상대적으로 적은 양의 모니터 원자가 필요할 수 있다.
마모 모니터용 감지 회로
다음에, 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 및 기준 디바이스와 관련된 다양한 전기적 서명을 감지하기 위한 감지 회로에 포함될 수 있는 다양한 회로가 기술된다. 본원에 개시된 다양한 회로 각각은 도 2a/도 2b와 관련하여 전술한 감지 회로(25a/25b)의 부분일 수 있음을 알게될 것이다.
또한, 도 20a-도 21b는 다양한 실시예에 따라, 본원에 설명된 마모 및/또는 기준 모니터 디바이스로부터의 측정된 입력 신호를 출력 신호로 변환하도록 구성된 다양한 변환 회로를 도시한다.
도 20a는 실시예에 따라 상술된 다양한 모니터 디바이스 및 기준 디바이스로부터 모니터 신호를 변환하도록 구성된 펀치-스루 마모 모니터 변환 회로(200a)를 도시한다. 특히, 변환 회로(200a)는 반도체 디바이스의 펀치-스루 특징을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 변환 회로(200a)는 도 11a-도 11b 및 도 12a-도 12b에 관련하여 전술한 펀치-스루 특징을 모니터링하도록 구성된 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결될 수 있다. 변환 회로(200a)는 소정의 펀치-스루 전압 미만에서 펀치-스루 모니터 디바이스(202)에 전류가 흐르지 않도록 구성된다. 펀치-스루 디바이스(202)를 통해 전류가 흐르지 않을 때, 비교기(204)의 + 및 - 단자의 전위는 동일하다. 일단 펀치-스루가 발생하면, 비교기(204)가 활성화되고, 펀치-스루 디바이스(202)를 통해 전류가 흐른다. 펀치-스루 전압은 기록될 수 있는 DAC(206)를 통해 출력된다.
도 20b는 실시예에 따라 상술된 다양한 모니터 디바이스 및 기준 디바이스로부터 모니터 신호를 변환하도록 구성된 임계 전압(Vth) 마모 모니터 변환 회로(200b)를 도시한다. 특히, 변환 회로(200b)는 MOS 디바이스의 Vth 변동 특징을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 동작에서, 전류원(201b)은 전압이 포화할 때까지 VT 노드(207)(ADC 입력)상의 전압을 상승시킨다. 전류원(201b)으로부터 일정 전류가 출력되면, VT 노드(207)에 전압에 포화는 트랜지스터(208)의 Vth 변동에 따라 변한다. Vth 전압은 ADC(205b)로 출력되어 시간에 따라 기록된다.
도 20c는 실시예에 따라 전술한 다양한 모니터 디바이스 및 기준 디바이스로부터 모니터 신호를 변환하도록 구성된 다이오드 순방향 전압 마모 모니터 변환 회로(200c)를 도시한다. 특히, 변환 회로(200c)는 다이오드의 순방향 전압을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 동작에서, 전류원(201c)로부터의 전류는 전압이 포화될 때까지 노드(207)(ADC 입력) 상의 전압을 상승시킨다. 일정 전류가 전류원(201c)으로부터 출력되면, 노드(207)에 포화 전압은 ADC(205c)로 출력되어 시간에 따라 기록될 수 있는 다이오드(203)의 순방향 전압에 따라 변할 것이다.
도 21a는 일부 실시예에 따라, 전술한 다양한 모니터 디바이스 및 기준 디바이스로부터 모니터 신호를 변환하도록 구성된 변환 회로(210a)를 도시한다. 동작에서, 제1 스테이지에서, 변환 회로(210a)는 노드(214a)에 마모 모니터(212a) 상의 전압을 모니터하도록 구성된다. 이것은 제1 스테이지에서, 제1 증폭기(216) 및 제1 저항기(R1)를 사용하여 노드(214a)에서 마모 모니터 디바이스(212a)의 전압을 버퍼링함으로써 달성된다. 제2 스테이지에서, 이어서 노드(217)에서 버퍼링된 전압은 제2 증폭기(218a)에 의해 이득이 얻어지고, 이어서 ADC(219a)에서 출력을 위해 변환된다.
도 21b는 일부 실시예에 따라, 전술한 다양한 모니터 디바이스 및 기준 디바이스로부터의 모니터 신호를 변환하도록 구성된 변환 회로(210b)를 도시한다. 동작에서, 제1 스테이지에서, 변환 회로(210b)는 입력 신호를 먼저 저역 통과 필터링하고 이어서 제1 증폭기(218a)를 사용하여 이득을 얻게 하고, 이어 ADC(219)에서 출력을 위해 변환함으로써, 노드(214b)에서 마모 모니터(212b) 상의 전압을 모니터하도록 구성된다.
도 22a는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스(221a)와 기준 디바이스(221b) 사이의 출력 신호를 비교하도록 구성된 용량성 프로그래머블 이득 증폭기(PGA) 회로(220a)를 도시한다. PGA 회로(220a)는 각각 마모 모니터(221a) 및 기준 디바이스(221b)에 전류를 공급하게 구성된 2개의 전류원(222a, 222b)을 포함한다. PGA 회로(220a)는 마모 모니터 디바이스(221a) 및 기준 디바이스(221b) 각각에 연결된 2개의 완전 차동 전압-모드 용량성 증폭기(224, 226)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, PGA 회로(220a)는 출력 필터 및 버퍼를 갖는 초핑된 용량성 PGA로서 구성되며, 특히 마모 모니터 디바이스(221a)이 출력과 기준 디바이스(221b)의 출력 간에 작은 신호 차이(~수십 내지 수백 nV)를 증폭하게 구성된다.
도 22b는 실시예에 따라, 다이오드를 포함하는 마모 모니터링 디바이스(221c)와 다이오드를 포함하는 기준 디바이스(221d) 사이의 출력 신호를 비교하도록 구성된 용량성 프로그래머블 이득 증폭기(PGA) 회로(220b)를 도시한다. 도 22a의 PGA 회로(220a)와 달리, PGA 회로(220b)에서, 마모 모니터 디바이스(221c) 및 기준 디바이스(221d)는 각각 공통 기준 전압 Vref에 연결된다. 도 22a의 PGA 회로(220a)와 유사하게, PGA 회로(220b)는 출력 필터 및 버퍼를 갖는 초핑된 용량성 PGA로서 구성되며, 특히 마모 모니터 디바이스(221c)의 출력과 기준 디바이스(221d)의 출력 간에 작은 신호 차이(~nV ~100 nV)를 증폭하게 구성된다.
도 22c는 실시예에 따라, 다이오드를 포함하는 마모 모니터링 디바이스(221e)와 다이오드를 포함하는 기준 디바이스 사이의 출력 신호를 비교하도록 구성된 전류-디지털 ADC 변환 회로(220c)를 도시한다. 예시 목적을 위해, 도시된 실시예에서, ADC 변환 회로(220c)는 128-채널, 전류-디지털, 아날로그-디지털 변환기(ADC)이다. ADC 변환 회로(220c)는 128 개의 저 파워, 저 노이즈, 저 입력 전류 적분기, 동시 샘플-앤-홀드, 및 최대 24 비트까지 구성가능한 샘플링 레이트 및 분해능을 갖춘 2개의 고속, 고 분해능 ADC를 포함한다. 변환된 채널 결과는 단일 LVDS 자체-클럭 직렬 인터페이스 상에 출력이어서, 외부 하드웨어를 감소시킨다. SPI-호환 직렬 인터페이스는 SDI 입력을 사용하여 ADC를 구성을 허용한다. SDO 출력은 사용자가 단일 3-와이어 버스 상에서 여러 개의 ADC를 데이지-체인할 수 있게 한다. ADC 회로(220c)는 별도의 서플라이 IOVDD를 이용하여 변환시 디지털 노이즈 효과를 감소시킬 수 있게 한다.
도 23a-도 23c는 실시예에 따라, 본원에 기술된 다양한 마모 모니터 디바이스 또는 기준 디바이스로부터의 모니터 신호의 전류 출력을 증폭시키고 전압 신호로 변환하도록 각각 구성된 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)(230a-230c)를 각각 도시한다. 일부 실시예에서, TIA는 마모 모니터가 전압 응답보다 선형인 전류 응답을 갖는 경우 사용될 수 있다. 예를 들어, 도시된 TIA(230a-230c)은 다이오드, 예를 들어 포토다이오드를 포함하는 마모 모니터(234)와 함께 사용될 수 있으며, 전류 응답은 넓은 범위의 광 입력에 대해 예를 들어 1%보다 더 나을 수 있다. TIA(230a-230c)은 마모 모니터(234)에 낮은 임피던스를 제공하고 이를 연산 증폭기의 출력 전압으로부터 격리시킨다. TIA(230a-230c) 각각은 반전 구성으로 증폭기(232) 및 값이 -RF인 증폭기(232)의 이득을 설정하는 피드백 저항기(RF)를 갖는다. 각 TIA(230a-230c)의 출력은 ADC에 의해 변환될 수 있다. TIA(230a-230c) 각각은 아래에 기술된 바와 같이 마모 모니터의 저-레벨 전류를 전압으로 변환하는데 특히 적합하다.
도 23a를 참조하면, 동작에서, 마모 모니터 디바이스(234)는 그라운드와 증폭기(232)의 반전 입력 사이에 연결된다. 증폭기(232)의 비-반전 입력은 또한 그라운드에 연결된다. 이것은 바이어스를 낮게 유지하는 마모 모니터 디바이스(234)에 대해 낮은 임피던스 부하를 제공한다. 증폭기(232)의 높은 이득은 RF를 통한 피드백 전류와 동일한 마모 모니터 디바이스(234)를 통해 전류를 유지한다.
도 23b를 참조하면, TIA(230b)는, TIA(230b)가 마모 모니터가 양의 출력 전압으로 측정될 수 있도록 마모 모니터 디바이스(234)와 그라운드 사이에 DC 서플라이 V1, 예를 들어 배터리를 포함하는 것을 제외하고, 도 23a의 TIA(230a)와 유사하다. 예를 들어, 다이오드를 갖는 마모 모니터 디바이스(234)를 통한 역방향 바이어스 누설 전류(ID)가 5nA이고, RF가 1MΩ이고, Vbias가 =-0.1V이면, Vout = 5nA*1MΩ = 5mV이다.
도 23c를 참조하면, TIA(230c)는 마모 모니터가 양의 출력 전압으로 측정될 수 있게, TIA(230c)가 증폭기(232)의 비-반전 입력과 그라운드 사이에 Vbias를 갖는 DC 서플라이(V2), 예를 들어 배터리를 포함하는 것을 제외하고, 도 23a의 TIA(230a)와 유사하다. 예를 들어, 다이오드를 갖는 마모 모니터 디바이스(234)를 통한 역방향 바이어스 누설 전류가 5nA이고, RF가 1MΩ이고, Vbias가 =+0.1V이면, Vout =(5nA*1MΩ) + 0.1V = 105 mV이다.
따라서, 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)(230a-230c)는 이들이 매우 낮은 입력 바이어스 전류(~ +/- 20fA)가 측정 및 증폭될 수 있게 이득이 매우 높은 반면 매우 낮은 모니터 디바이스(234)에 기인하여 입력 오프셋 전압을 갖는다.
도 24는 몇몇 실시예에 따라 TIA 증폭기(240)가 모니터 디바이스(234) 및 기준 디바이스(236) 둘 다로부터 모니터 신호의 전류 출력(ID1, ID2)을 증폭하고 전압 출력으로 변환하도록 애노드 바이어스가 다중화된 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)(240)를 도시한다. 이점이 있게, 모니터 디바이스(234) 및 기준 디바이스(235)는 동일한 Vbias 및 동일한 증폭기(232)를 사용하기 때문에, 전류 출력(ID1, ID2)의 변환 오류가 상쇄된다. 동작에서, TIA(240)는 감지 회로의 프론트 엔드의 부분일 수 있다. 각 디바이스의 출력은 결과를 저장할 수 있는 ADC로 변환되고, 이어 예를 들어 누설 전류에 차이를 계산하기 위해 감산될 수 있다. 시간에 따른 누설 전류에 차이를 저장하는 것은, 예를 들어, 마모 모니터 디바이스가 시간에 걸쳐 노출되었던 온도를 추적할 것이다.
수명 표시자 시스템
도 25는 실시예에 따라, 하나 이상의 마모 모니터 디바이스를 갖는 수명 표시자 시스템(250)을 도시한다. 본원에 개시된 수명 표시자 시스템(250)은 도 2a/도 2b와 관련하여 전술한 감지 회로(25a/25b)의 부분일 수 있음이 이해될 것이다.
복수의 상이한 모니터 디바이스(252a, 252b)은 실시예에 따라, 공통 플랫폼(예를 들어, 단일 칩 또는 단일 기판)에 형성된 상이한 유형의 모니터 디바이스일 수 있다. 하나 이상의 상이한 모니터 디바이스(252a, 252b)는 예를 들어, 상이한 유형의 마모 스트레스의 병렬 및/또는 동시적 모니터링 데이터를 제공할 수 있다. 도시된 실시예에서, 하나 이상의 마모 모니터 디바이스는 온도 마모 모니터(252b) 및 전압 또는 전류 마모 모니터(252a)를 포함한다. 동작에서, 하나 이상의 마모 디바이스(252a, 252b)는 각각의 ADC(254a, 254b)에 병렬 및/또는 동시적 모니터링 데이터를 제공할 수 있으며, 이의 출력은 공통 프로세서(256)에 공급될 수 있다. 동시에, 각각의 한계 경보(257a, 257b)는 하나 이상의 마모 디바이스(252a, 252b) 각각으로부터의 모니터링 데이터에 기초하여 생성될 수 있다. 각각의 한계 경보(257a, 257b)는 각각의 모니터에 대해 사용자에 의해 주어진 개별 최소 및 최대 값 한계에 기초하여 사전에 설정될 수 있다. 수명 표시자 시스템(250)은 또한 타이머(255)를 포함할 수 있다. 프로세서(256)는 각각의 마모 모니터 디바이스(250a, 250b)로부터 모니터링 데이터를 수신하고, 개별 마모 모니터 디바이스(252a, 252b)로부터의 정보에 기초하여, 또는 하나 이상의 모니터 디바이스(252a, 252b)로부터의 정보를 조합함으로써, 코어 회로 내 관련 코어 회로 디바이스(명료성을 위해 도시하지 않음, 도 2a 및 도 2b 참조)의 마모 레벨을 결정하게 구성된다. 따라서, 계산된 마모 레벨은 메모리 디바이스(258), 예를 들어, 비휘발성 메모리 디바이스에 저장될 수 있다. 일부 실시예에서, 메모리 디바이스에 저장된 계산된 마모 레벨 데이터는 보호를 위해 암호화된 형태로 전송될 수 있다.
일부 실시예에서, 수명 표시자 시스템(250)은 서플라이 전류 마모 모니터링 시스템으로서 구성될 수 있다. 많은 IC 장애는 대기 또는 절전 전류를 제공하도록 구성된 서플라이 전류 모듈과 같은 서플라이 전류 모듈의 마모로 인해 야기된다. 몇가지를 나열하면 EOS, ESD, 부식 및 잠재적 결함에 의해 야기된 마모에 기인하여 서플라이 전류가 저하하였을 때 장애가 발생할 수 있다. 서프라이 전류 마모 모니터링 시스템으로서 구성될 때, 마모 모니터(252a)는 서플라이 전류 마모 모니터로서 구성될 수 있다. 장애가 발생하였을 때, 시간-스탬프된 서플라이 전류 값을 모니터링하고 이들을 메모리(258)에 기록하고, 장애에 이르게 하는 이러한 전류 값을 "플레이 백"함으로써, 장애의 원인에 관계된 정보가 얻어질 수 있다.
다른 실시예에서, 수명 표시자 시스템(250)은 전압, 전류, 온도 및/또는 시간에 의존하는 디바이스 장애를 모니터링하기 위한 디바이스 장애 모니터링 시스템, 예를 들어 트랜지스터 디바이스 마모 모니터링 시스템으로서 구성될 수 있다. 이러한 마모 메커니즘의 예는 트랜지스터 성능(속도 및 전압)에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려진 핫 캐리어 주입(HCI) 및 네가티브 바이어스 온도 불안정(NBTI)으로 인한 마모를 포함한다. 이러한 메커니즘으로 인한 장애에 대한 마모 모델의 정확성은 전압 스트레스가 가해지는 온도를 모니터링하면서, 트랜지스터에의 누적 전압 스트레스를 동시에 모니터링함으로써 향상될 수 있다.
임무 프로파일 모니터링 시스템
임무 프로파일은 일반적으로 실제 사용중인 아이템, 예를 들면 성분, 디바이스 또는 시스템에 작용하는 부하 및 스트레스를 기술한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 임무 프로파일은 특정된 시간 동안 특정된 임무의 개시에서 완료까지 아이템이 경험하는 이벤트 및 환경에 대한 시차별 서술을 지칭한다. 이벤트 및 환경, 예를 들면, 부하 및 스트레스는, 예를 들면, 다른 환경 요인 중에서도, 온도, 온도 프로파일, 습도, 진동, 전기/자기장, 또는 이들 요인들의 조합에 변화를 포함한다. 관련 스트레스를 가능한 한 가깝게 혼합 뿐만 아니라, 노출의 성질, 세기 및 지속시간으로 명시하는 것이 중요할 수 있다. 이러한 세부 사항을 가지고, 현장 응용에서 응용 및 성분의 신뢰도에 관한 예측이, 특정된 정확도 내에서, 가능하다.
일반적으로 2가지 유형의 임무 프로파일이 존재한다. 소정의 임무 프로파일은 아이템이 사용되기 전에 사전에 결정된 임무 프로파일을 지칭하며, 비휘발성 메모리 디바이스와 같은 저장 디바이스에 사전에 프로그램될 수 있다. 대조적으로, "스마트" 임무 프로파일은 실제 동작 조건 하에서 임무 프로파일 파라미터를 감지하는 온-보드 센서, 예를 들면, 마모 센서로부터 출력에 기초하여 시간에 따라 자체 조정하는 전개하는 임무 프로파일이다. 따라서, "스마트" 임무 프로파일은 성분, 디바이스, 또는 시스템이 수명 동안 파악하는 실제 조건을 보다 자세히 반영한다. "스마트" 임무 프로파일은 "스마트" 임무 프로파일이 온보드 센서로부터 변화하는 출력에 기초하여 주기적으로 업데이트되고 개선될 수 있기 때문에, 특정 임무 프로파일이 잘 알려지지 않은 응용에서 특히 중요할 수 있다. 다음에, 실시예들에 따라, 온-칩 마모 센서를 포함하는 임무 프로파일 모니터링 시스템이 기술된다.
도 26을 참조하면, 실시예에 따라, 성분, 디바이스, 또는 시스템의 임무 프로파일을 모니터링하기 위해 하나 이상의 마모 센서를 포함하는 임무 프로파일 모니터링 시스템(260)의 블록도가 도시되었다. 성분, 디바이스 또는 시스템은 코어 회로(명확성을 위해 도시되지 않음, 도 2a/2b 참조)에 포함되거나 전기적으로 연결될 수 있다. 하나 이상의 마모 센서(2604)는 온도, 전압, 전류, 습도, 운동(예를 들면, 진동), 등으로부터 마모를 측정하도록 구성된 센서를 포함하여 본원에 기술된 마모 센서 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 시스템(260)은 성분, 디바이스, 또는 시스템의 수명 동안 마모 센서(2604)로부터 측정된 출력 데이터(2608)를 주기적으로 발생하도록 구성된다. 출력 데이터는, 예를 들어, 비휘발성 메모리 디바이스 또는 휘발성 메모리 디바이스일 수 있는 제1 저장 디바이스/메모리 성분(2612)에 저장될 수 있다. 저장된 데이터는 통계 데이터, 예를 들어, 평균 데이터 및 변동성 데이터 뿐만 아니라 순간 데이터를 포함할 수 있다. 제1 저장 디바이스/메모리 성분(2612)에 저장된 시간에 걸쳐 누적된 출력 데이터는 "스마트" 임무 프로파일(2616)을 구성한다.
시스템(260)은 참조 프로파일로서 사용될 수 있는 소정의 임무 프로파일의 세트를 포함하는 소정의 임무 프로파일(2602)을 추가로 포함한다. 소정의 임무 프로파일은 다른 프로파일 중에서도, 온도 프로파일(2606), 습도 프로파일(2610), 바이어스(전압) 또는 전류 프로파일(2614), 여기(excitation) 프로파일(2618), 진동 프로파일(2622), 및 수명 프로파일(2626)을 포함한다. 소정의 임무 프로파일(2602)은 제2 저장 디바이스/메모리 성분(2630), 예를 들어, 비휘발성 메모리 디바이스 또는 휘발성 메모리 디바이스에 저장될 수 있다. 시스템(260)은 제2 저장 성분/메모리 성분(2630)로부터 소정의 임무 프로파일을 인출하고 소정의 물리적 모델 세트(2634)을 사용하여 성분, 디바이스, 또는 시스템의 마모 상태의 시뮬레이트된 데이터(2616)를 발성하도록 구성된 모델링 모듈(2634)을 추가로 포함한다.
시스템(260)은 모델링 모듈(2634)로부터의 시뮬레이트된 데이터와 온-칩 마모 센서(2604)로부터의 측정 출력 데이터를 비교하도록 구성된 제1 비교기(2620)를 추가로 포함한다. 제1 비교기(2620)로부터의 출력은 제1 비교기(2620)로부터의 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 모니터되는 성분, 디바이스, 또는 시스템의 건강을 결정하도록 구성된 신호 프로세서(2628)에 보내질 수 있다.
시스템(260)은 소정의 임무 프로파일(2602) 및 "스마트" 임무 프로파일(2616)을 비교하도록 구성된 제2 비교기(2624)를 추가로 포함할 수 있다. 제2 비교기로부터의 출력은 또한 신호 프로세서(2628)에 보내질 수 있다. 프로세서는(2628)는, 소정의 임무 프로파일과 "스마트" 임무 프로파일 사이의 편차 또는 차이에 기초하여, 시스템 폴트가 존재하는지 여부를 결정하도록 더욱 구성된다.
모니터링 시스템(260)은 하나 이상의 마모 센서(2604)를 사용하여 수명 동안 성분, 디바이스 또는 시스템의 임무 프로파일을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 모니터링 시스템(260)은 정전기 방전(ESD)/전기적 오버스트레스(EOS) 모니터(2632)를 추가로 채용할 수 있다. 트리거된 이벤트를 의미할 수 있는 ESD/EOS 모니터(2632)로부터의 출력은 하나 이상의 마모 센서(2604)로부터의 출력 데이터와 관련하여 이용될 수 있다. ESD/EOS 이벤트가 발생하였을 때, ESD/EOS 이벤트 전후의 마모 센서(2604)로부터의 출력이 비교될 수 있다. 출력 특징에 임의의 중요한 변화는 ESD/EOS 이벤트에 의해 유발된 IC 내부의 손상을 나타낼 수 있다. 이러한 정보는 또한 제1 저장 디바이스/메모리 성분(2612), 예를 들어, 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리에 저장될 수 있고, "스마트" 임무 프로파일(2616)을 구성하기 위해 시간에 걸쳐 누적될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템(260)은 실시예에 따라 디바이스-레벨 신뢰도(DLR) 모델링 모듈을 추가적으로 포함한다. DLR 모델링 모듈(2636)은 이에, 예를 들어, 핫 캐리어 주입(HCI) 모델링 모듈, TDDB(time-dependent-dielectric-breakdown) 모델링 모듈, EM(electromigration) 모델링 모듈, 바이어스 온도 불안정(BTI) 모델링 모듈, 및 자기저항(MR) 모델링 모듈을 포함하는 다양한 마모 메커니즘과 관련된 다양한 모델링 모듈 모듈을 포함한다. 모델링 모듈(2640)은 또한 몇가지를 나열하면, 에너지 하베스트 모델링 모듈, 가스-감지 모델링 모듈, 습도 감지 모델링 모듈, 공진기 모델링 모듈, 및 바이오메트릭 감지 모델링 모듈 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 IOT(internet-of-things) 센서 모델링 모듈을 포함할 수 있다. 이들 모델과 "스마트" 임무 프로파일로부터의 데이터를 사용하여, 잠재적 마모 문제는 검출되고 사용자에게 잠복 시스템 장애를 경보하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 데이터는 성분, 디바이스, 또는 시스템의 성능을 조정하고 및/또는 리던던시 프로토콜(2648)을 개시하기 위해 피드백 루프(2644)의 부분으로서 사용될 수 있다. 시스템(260)은 잠재적 또는 잠복 성분, 디바이스 또는 시스템 장애를 사용자에게 경보하기 위한 유선 또는 무선 수단을 포함하는 통신 모듈(2652)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 통신 모듈(2652)에 의해 발생되고 전송된 데이터는 보호를 위해 암호화될 수 있다.
임무 프로파일 모니터링의 응용은 예를 들어 다음을 포함한다:
동작 전압 가드 밴딩
도 27-도 28은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스를 사용하여 IC 디바이스에서 서플라이 전압 가드 밴딩 방법을 도시한다. 도시되지는 않았지만, 도 2a/도 2b와 관련하여 기술된 감지 회로(25a/25b)는 도 27 및 도 28에 관련하여 전술한 방법을 구현하도록 구성될 수 있다.
일반적으로, IC 디바이스의 동작 전압은 IC의 의도된 동작 환경에 기초한 제조 테스트 및 특징화 프로세스 중에 결정될 수 있다. 도 27을 참조하면, 테스트 및 특징화 단계에서, 다양한 가외의 마진은 전체 전압 가드 밴딩 버짓(272)에 도달할 수 있기 위해 내재 최소 전압에 더해질 수 있다. 예를 들어, IC 디바이스의 가드-밴드된 동작 전압의 개략적인 시간 전개 곡선(270)에 도시된 바와 같이, 최악의 경우의 전압 드룹 이벤트 동안에도 적절한 동작을 보장하려는 시도로, 전압 드룹 가드 밴드가 가드 밴딩 버짓(272)에 더해질 수 있다. 추가의 가드 밴드, 예를 들어 에이징 가드 밴드가 더해질 수 있다.
도 28을 참조하면, 전형적인 조건 하에서, IC 디바이스에 의해 경험되는 전압 드룹은 시간 전개 곡선(270)에 도시된 최악의 경우의 조건보다 훨씬 더 작을 수 있고, IC는 훨씬 더 작은 가드 밴드로 정확하게 동작할 수 있다. 그러나, 전압 드룹을 야기하고 있을 수 있는 IC 디바이스의 실제 마모 상태는 알려지지 않기 때문에, IC 디바이스는 이러한 최악의 경우의 조건 하에서 종종 동작된다. 예를 들어, 도 28의 그래프(280)를 참조하면, IC 디바이스는 최악의 경우의 조건을 고려한 Vdd 레벨을 나타낼 수 있는 "권고 Vdd" 하에서 동작될 수 있다. 그러나, 불필요하게 큰 전압 가드 밴드를 사용하는 것은 에너지를 낭비할 수 있다. 예를 들어, 수명 표시자 시스템(250)(도 25) 또는 임무 프로파일 모니터링 시스템(260)(도 26)과 함께 다양한 마모 모니터 디바이스를 사용함으로써, 가드 밴딩의 양이 최소화될 수 있으며, 그럼으로써 IC 디바이스에 의해 소모되는 에너지를 절약할 수 있다. 즉, IC의 실제 마모 상태를 추적함으로써, 권고 Vdd와 실제 Vdd 간의 차이가 최소화될 수 있고, 그럼으로써 귀중한 에너지를 절약할 수 있다.
따라서, 다양한 실시예에서, 전압 가드 밴딩의 방법은 본원에 설명된 다양한 실시예에 따라 마모 모니터를 사용하여 주기적으로 IC의 마모 상태를 결정하는 단계와, 이로부터 마모 상태에 대응하는 순간 예상 전압 드룹을 결정하는 단계를 포함한다. 일단 마모 상태에 해당하는 예상 순간 전압 드룹이 결정되면, 권고 Vdd 곡선이 업데이트될 수 있다. 이러한 결정의 주기를 증가시킴으로써, 낭비되는 에너지의 양이 최소화될 수 있다.
자체-파워링 마모 모니터
도 29는 실시예에 따라, 마모 모니터(291)를 포함하고, 전원에 의해 공급되는 최소 에너지를 사용하거나 사용하지 않으면서 또는 예를 들어 태양 에너지의 형태로 환경으로부터 스캐빈지된 에너지를 사용하면서 모니터링된 데이터를 무선으로 전송하도록 구성된 IC 장치(290)를 도시한다.
IC 장치(290)는 전술한 마모 모니터 디바이스 중 하나일 수 있는 마모 모니터(291), 마모 모니터 디바이스(291)로부터 마모 신호를 감지하는 감지 회로(294), 마모 신호를 무선으로 통신하기 위한 무선 통신 모듈(296), 및 감지 회로(295) 및 무선 통신 모듈(296)에 파워를 공급하기 위한 에너지 하베스트 성분(298)을 포함한다. IC 장치(290)는 또한 전술한 기준 디바이스들 중 하나로서 구성될 수 있는 기준 디바이스(292)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 마모 모니터 디바이스(291) 및 기준 디바이스(292)는 원자 확산에 의존하고, 원자 확산을 야기하는 마모-스트레스를 모니터링하기 위한 별도의 파워 서플라이를 포함하지 않는다. 그러나, 감지 회로(294) 및 무선 통신 모듈(296)은 여전히 별도의 파워 서플라이를 포함할 수 있다. 그러나, 원격, 혹독한 또는 아니면 액세스하기 어려운 위치, 예를 들어, 스카이스크래퍼, 브리지 또는 원격 기지국에서의 사용을 위해, 배터리 파워를 사용하는 확장된 모니터링은 바람직하지 않거나 실용적이지 않을 수 있다. 이점이 있게, IC 장치(290)는 에너지 하베스트 성분(298)를 포함한다. 에너지 하베스트는 비-전기 형태의 에너지를 전하로 변환하는 것을 수반할 수 있다. 에너지 하베스트 성분(298)은 환경, 예를 들어, 광전지 디바이스, 열전 디바이스, 또는 압전 디바이스로부터 에너지를 하베스트하도록 구성된 임의의 적절한 디바이스일 수 있다. 에너지 하베스트 성분(298)은 별도의 파워 서플라이를 거의 또는 전혀 사용하지 않는 대가로 모니터 정보를 수신하면서, IC 장치(290)가 원격, 혹독한 또는 아니면 액세스하기 어려운 위치에서 연장된 기간 동안 사용될 수 있도록, IC 장치(290)의 감지 회로(294) 및 무선 통신 모듈(296)에 파워를 부분적으로 또는 완전히 공급하도록 구성된다. 또한, IC 장치(290)는 무선 통신 모듈(296)을 사용하여 통신 가능하게 결합되어 있는 동안 처리 회로(명확성을 위해 도시되지 않음)로부터 원격에 위치됨으로써, 처리 회로가 동작되는 환경보다 훨씬 더 혹독한 환경, 예를 들어 원격 서버의 처리 환경에서 동작될 수 있다는 것이 이해될 것이다
산화/부식 마모 모니터
원자 확산 속도의 변화를 검출하는 것 외에도, 화학 반응, 예를 들어, 산화 및/또는 부식 반응이 일부 IC 디바이스의 마모 레벨을 게이지하기 위해 사용될 수 있다. 부식 및/또는 산화를 포함할 수 있는, 환경 원자와 모니터 불순물 원자 사이의 다양한 반응은 환경 원자와 관련된 마모-스트레스의 이력을 제공할 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 화학적으로 반응하는, 예를 들어, 부식 및/또는 산화하는 재료/물질은 모니터 불순물 원자, 예를 들어, 정의된/예측가능한 레이트로 확산하는 Au 또는 다른 물질을 포함하는 모니터 디바이스에 추가로 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, 산화/부식 물질의 반응 레이트는 측정가능한 전기량과 직접적으로 상관될 수 있다. 일부 다른 구현예에서, 산화/부식 물질은 모니터 불순물 원자, 예를 들어, Au 원자의 확산 속도에 미치는 식별할 수 있는 효과를 생성할 수 있고, 그럼으로써 측정가능한 전기량에 간접적으로 상관될 수 있다. 따라서, 독립적으로 또는 본원에 개시된 다른 실시예에서 설명된 다른 마모 메커니즘 및 조건과 조합하여 사용될 수도 있을 부식 또는 산화의 레벨의 표시를 제공할 수도 있을 시스템이 구성될 수 있다. 확산과 유사하게, 산화 및/또는 부식과 관련된 마모-스트레스는 또한 확산과 관련하여 전술한 개념이 도 30a-도 30d와 관련하여 본원에서 설명된 모니터 디바이스에 적용될 수 있게, 열적으로 활성화될 수 있다.
도 30a-도 30d는 다양한 사용 환경 하에서 산화/부식되는 구조를 갖는 모니터 디바이스(300a-300d)의 다양한 실시예를 도시하며, 산화/부식 레이트의 변화는 코어 회로의 마모 상태를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 산화/부식되는 구조는 그 자체로, 즉 확산되도록 구성된 모니터 원자를 갖는 구조 없이, 또는 확산되도록 구성된 모니터 원자를 갖는 구조와 함께, 사용될 수 있다. 산화/부식되는 구조가 확산되는 모니터 원자를 갖는 구조와 함께 사용될 때, 산화/부식되는 구조의 존재는 모니터 원자의 확산 속도에 영향을 줄 수 있으며, 모니터 원자를 갖는 구조의 존재는 산화/부식 레이트에 영향을 줄 수 있다. 이러한 모니터 디바이스는 다양한 가스 또는 액체, 예컨대 산소, 수분, 물, CO2, 등을 포함하는 특정 환경 원자와 관련된 마모 스트레스를 검출하도록 구성될 수 있다.
도 30a-도 30d를 참조하면, 마모 모니터 디바이스(300a-300d) 각각은 전술한 측정 구조, 예를 들어 PN 접합 또는 임피던스 측정 구조를 포함할 수 있는 기판(302), 이 위에 하지의 기판(302)의 확산, 산화, 또는 부식을 제한 또는 억제하기 위해 형성된 확산 장벽(304)를 포함한다.
도 30a를 참조하면, 마모 디바이스(300a)는 하지의 층으로 확산되도록 구성된 모니터 원자의 복수의 층(306a), 및 알려진 산화 환경에 대해 소정의 레이트로 산화되도록 한 복수의 산화층(308a)을 포함한다. 산화층(308a)은 공지된 산화 레이트를 갖는 금속 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서 모니터 원자의 층(306a)과 산화층(308a)은 측방으로 교번한다.
도 30b를 참조하면, 마모 디바이스(300b)는, 모니터 디바이스(300a)의 산화층 대신에, 마모 디바이스(300b)가 공지된 부식 환경에 대해 소정의 레이트로 부식하도록 된 복수의 층(308b)을 포함하는 것을 제외하고, 도 30a의 마모 디바이스(300a)와 유사하게 배열된다. 부식층(308b)은 공지된 부식 레이트를 갖는 금속 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 모니터 원자의 층(306b) 및 부식층(308a)은 설명된 실시예에서 측방으로 교번한다.
도 30c를 참조하면, 마모 디바이스(300c)는 도 30c에 도시된 구조가 산화층/부식층(308)이 모니터 원자층(306c) 위에 형성되는 적층 구성을 갖는 것을 제외하고, 도 3a/도 30b의 마모 모니터 디바이스(300a/300b)와 유사하게 배열된다.
도 30d를 참조하면, 마모 디바이스(30d)는 모니터 원자층(306c) 위에 산화층(308c)이 형성된 적층 구성 대신, 도 30d의 마모 디바이스(300d)가 모니터 원자층(306d) 아래에 형성된 산화층/부식층(308d)을 포함하는 것을 제외하고, 도 30c의 마모 디바이스(300c)와 유사하게 배열된다.
마모 모니터 어레이
도 31은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스(318)의 어레이(310a(단면도)/310b(평면도))로서 측방으로 배열된 복수의 마모 모니터 디바이스를 도시한다. 어레이(310a/310b)는 칩(SoC) 내 시스템 또는 패키지 내의 시스템(SIP)과 같은 시스템의 부분으로서 구현될 수 있다. 어레이(310a/310b)는 기판(312) 위에 형성된 복수의 모니터 디바이스(318)를 포함하고, 확산 장벽(314)를 포함할 수 있다. 모니터 디바이스(318)는 응용에 따라 동일한 유형 또는 상이한 유형일 수 있다. 예를 들어, 일부 응용에 대해, 일부 모니터 디바이스(318)는 열 스트레스를 모니터링하도록 구성될 수 있는 반면, 다른 모니터 디바이스(318)는 전압 또는 전류 스트레스를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 모니터 디바이스(318)가 동일한 유형일 때, 이들은 동일하거나 상이한 스트레스 범위에 대해 스트레스를 모니터하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 모니터 디바이스(318)는 제1 온도 범위 하에서 마모를 모니터링하도록 구성될 수 있고, 다른 모니터 디바이스(318)는 제2 온도 범위 하에서 마모를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 모니터 디바이스(318)는 직렬 또는 병렬로 복수의 모니터 디바이스(318)를 감지할 수 있게 하는 전기 링크 또는 연결(316)에 의해 상호연결되고 통신가능하게 결합될 수 있다. 일부 구현예에서, 전기 링크(316)는 코어 IC 디바이스의 특정 영역 및/또는 특정 범위의 스트레스(예를 들어, 온도 범위)를 타겟으로 하는 활성 모니터 디바이스(318)의 특정 패턴을 형성하기 위해 제조 후에 수정될 수 있는 퓨즈 링크 또는 안티퓨즈 링크일 수 있다.
도 32a 및 도 32b는 실시예에 따라 어레이(328)(도 32b)로서 측방으로 배열된 복수의 모니터 디바이스/기준 디바이스 쌍(320)(도 32a)을 도시한다. 어레이(328)는 도 31의 어레이(310a/310b)와 유사하게 구성될 수 있고 유사한 측면의 설명은 생략될 것이다. 그러나, 도 31의 어레이(310a/310b)와 달리, 어레이(328)의 각각의 모니터 디바이스(322)는 전술된 이유로 배열 및 장점을 갖는 기준 디바이스(324)와 쌍이 된다.
도 33a-도 33b는 실시예에 따라 기판(332) 및 확산 장벽(334) 위에 형성된 모니터 디바이스(338)의 어레이(330a(평면도)/330b(평면도))로서 측방으로 배열된 복수의 모니터 디바이스를 도시한다. 도 31과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스의 어레이와 유사하게, 어레이(330a/330b)는 전기 링크 또는 연결(336)에 의해 상호연결되고 통신가능하게 결합된 모니터 디바이스(338)를 포함한다. 전기 링크 또는 연결(336)은 부식 및/또는 산화를 초래할 수 있는 조건에 의도적으로 노출되도록 구성되며, 이러한 조건 하에서 부식/산화할 수 있는 물질로 형성된다. 결과적으로, 식별가능한 전기 변화가 부식/산화(및 잠재적으로 링크 또는 연결(336) 자체의 소모)에 기초하여 시간에 따라 발현하는 시스템이 생성된다. 도 33a 및 도 33b의 어레이(330a/330b)는 도 31의 어레이(310a/310b)와 유사하게 구성될 수 있고, 유사한 측면에 대한 설명은 생략한다. 도 31의 어레이(310a/310b)와 달리, 그러나, 적어도 일부의 모니터 디바이스(338)는 이 위에 폴리머 패시베이션층 또는 유전체 패시베이션층일 수 있는 패시베이션층(337a)을 형성하였다.
도 33c는, 도 33a의 패시베이션층(337a)과 달리, 개구(333)가 블랭킷 패시베이션층(337c)을 통해 형성되는 것을 제외하고는 패시베이션층(337c)이 복수의 모니터 디바이스(338a) 위에 블랭킷층을 형성하는, 모니터 디바이스(338a)의 어레이(330c)의 또 다른 실시예를 도시한다. 도시된 실시예에서, 도 32a의 모니터 디바이스/기준 디바이스 쌍(320)과 유사하게, 모니터 디바이스(338a/338b) 및 기준 디바이스(339a/339b)를 포함하는 모니터 디바이스/기준 디바이스 쌍(331a/331b)의 어레이가 도시된다. 어레이(330c)의 부분의 평면도에서, 노출된 쌍(331a)은 환경에 직접 노출되지만, 노출되지 않은 쌍(331b)은 패시베이션층(337c)에 의해 덮인 채로 있는다. 예시된 어레이(330c)는 모니터 디바이스(338a) 및 기준 디바이스(339a) 중 적어도 일부가 위에 설명된 바와 같이 산화 또는 부식 환경에 노출되는 모니터링 환경에서 특히 유리하지만, 다른 모니터 디바이스(338b) 및 기준 디바이스(339b) 336)는 모니터 디바이스(338a/338b)와 기준 디바이스(339a/339b) 간에 전기적 상호연결의 무결성을 보존하기 위해 산화 및/또는 부식 환경에 노출되는 것이 방지된다.
패키지 마모 모니터 내 시스템
도 34는 실시예에 따라, 패키지(SIP) 내 시스템, 또는 임베드된 성분을 갖는 시스템, 예를 들어, 하나 이상의 마모 모니터 디바이스(348)를 포함하는 기판(들)(340) 내에 임베드된 성분을 갖는 시스템을 도시한 것이다. 도시된 실시예에서, 기판(342)은 이 위에 모니터될 코어 회로 디바이스(346)에 매우 근접하여 마모 모니터 디바이스(348)를 형성하였고, 그럼으로써 코어 회로 디바이스(346)의 마모 레벨을 비교적 정확한 표시를 제공한다. 예를 들어, 마모 모니터 디바이스(348)는 코어 회로 디바이스(346)에 바로 인접하여 배치될 수 있다. 다이(342) 및 다른 성분은 시스템(340)을 형성하기 위해 단일 패키지 내에 인케이스될 수 있다. 모니터 디바이스(348)는, 예를 들어, 고 파워 디바이스 또는 민감/중대한 처리 디바이스에 적절하게 인접한, 특정 관심 영역일 수 있는 적합하게 특정한 위치에 배치될 수 있다. SIP(340)는 다이(342) 및 다른 성분을 캡슐화하는 오버 몰드 화합물(344)을 포함할 수 있다. SIP(340)는 신호가 다이(342) 및/또는 다른 성분에 의해 SIP(340)에 및 이로부터 외부로, 예를 들어, 무선으로 또는 SIP(340)의 출력 접촉에 제공됨으로써 통신될 수 있도록 구성될 수 있다.
전기적 오버스트레스(EOS) 및 정전기 방전(ESD) 마모 모니터
정전기 방전(ESD), 전기적 오버스트레스(EOS) 또는 전자기 호환성(EMC) 트랜지언트와 같은 트랜지언트 전기적 이벤트는 IC 디바이스의 마모를 야기할 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 트랜지언트 전기적 이벤트는 DC 레짐보다 적은 시간 지속시간을 갖는 전기적 이벤트이다. 임의의 이론에도 구애받지 않고, 트랜지언트 전기적 이벤트에 기인한 디바이스 장애의 3가지 레짐이 있다는 것이 예측되었다. 단열 레짐에서, 트랜지언트 전기적 이벤트의 지속시간은 <100ns 정도이다. 이러한 짧은 지속시간에 기인하여, 열 전달은 거의 없으며 장애 발생 시간은 대략 1/t 상관을 나타낸다. 열 확산 레짐에서, 트랜지언트 전기적 이벤트의 지속시간은 약 100ns 내지 약 10ms 정도이다. 이 레짐에서, 열 전달 지속시간은 열전달 시간 정도이며, 장애 발생 시간은 대략 1/t1/2 상관을 나타낸다. DC/정상 상태 레짐에서, 전기적 이벤트의 지속시간은 약 0.1/10ms보다 크다. 이 레짐에서, 디바이스는 열적 평형에 있으며, 장애 발생 시간은 대략 시간과의 상관이 없음을 나타낸다. 이들 레짐은 뭉크-벨 곡선으로서 알려져 있다.
다양한 트랜지언트 전기적 이벤트에 대해 보호를 위한 다양한 보호 디바이스가 오프-칩 모듈로서 장치에 탑재될 수 있거나 예를 들어 빌트-인 보호를 갖는 멀티-다이 패키지의 일부로서 온-칩에 집적될 수 있다. 다양한 보호 디바이스는 PN 다이오드, BJT, 및 전계 효과 트랜지스터의 조합을 포함한다. 이들 디바이스 및 다른 디바이스와 관련하여 위에서 설명한 마모 모니터 디바이스의 다양한 구성을 사용하여, 일부 보호 디바이스는 트랜지언트 전기적 이벤트에 의해 야기되는 마모를 모니터하기 위해 사용될 수 있다. 본원에 여러 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스는 비-파멸적 전기적 오버스트레스(EOS) 이벤트를 검출할 수 있다. 이러한 기능은 다른 회로보다 약간 낮은 브레이크다운을 갖는 IC를 모니터링할 수 있고 IC 디바이스에 대한 마모 정보를 제공할 수 있다.
도 35a 및 도 35b는 각각 실시예에 따라 ESD 검출 회로(350a, 350b)의 개략도를 도시한다. ESD 검출 회로(350a, 350b) 각각은 제1 ESD 보호 디바이스(352) 및 제2 ESD 보호 디바이스(354)를 포함한다.
제1 ESD 보호 디바이스(352)는, 예를 들어, 상대적으로 낮은 브레이크다운 전압 및 상대적으로 작은 물리적 영역을 갖는 다이오드를 포함할 수 있고, 제2 ESD 보호 디바이스(352)는, 예를 들어, 상대적으로 높은 브레이크다운 전압 및 비교적 큰 물리적 영역을 갖는 다이오드를 포함한다. 이들 ESD 보호 디바이스는 다이오드, 바이폴라 접합 트랜지스터, 및 반도체 제어 정류기(SCR)를 포함할 수 있다. 제1 ESD 보호 디바이스(352)는 제2 ESD 보호 디바이스(354)보다 낮은 전압에서 트리거할 수 있다. 예시적인 예에서, 제1 보호 디바이스(352)는 예를 들어 약 6.5 볼트에서 트리거할 수 있고, 제2 ESD 보호 디바이스(354)는 예를 들어, 약 7 볼트에서 트리거할 수 있다. 제2 ESD 보호 디바이스(354)는 제1 ESD 보호 디바이스(352)보다 더 많은 전류를 취급할 수 있다. 도 35a의 도시된 실시예에서, 저항기(355)(도 35a) 또는 퓨즈(367)(도 35b)는, 예를 들어, 열폭주를 방지하고 및/또는 검출 회로(356)를 위한 전압을 제공하기 위해, 제1 ESD 보호 디바이스(352)와 직렬로 있다.
제1 ESD 보호 디바이스(352)로, 제2 ESD 보호 디바이스(354)를 트리거하기 위한 임계 미만의 ESD 이벤트가 검출될 수 있고, 관련 데이터가 성분, 디바이스 또는 시스템의 마모를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 제1 ESD 보호 디바이스(354)에 의해 제공되는 ESD 보호는 내부 회로를 보호하기에 충분하지 않을 수 있지만, 제1 ESD 보호 디바이스(352)에 의해 제공되는 ESD 보호는 저항을 포함함이 없이 제2 ESD 보호 디바이스(354)에서 일어나고 있는 것을 모니터링할 방법을 제공할 수 있는데, 이는 제2 ESD 보호 디바이스(354)와 직렬의 제2 ESD 보호 디바이스(3544)의 유효성을 감소시킬 것이다.
ESD 검출 회로(350a, 350b)는 저항기(355)에 걸친 전압을 사용하여 ESD 이벤트를 검출할 수 있다(도 35a). 대안으로, 검출 회로(350b)는 ESD 이벤트가 검출될 때 퓨즈(357)를 블로우할 수 있다. 어떤 수의 ESD 이벤트(예를 들어, 10개의 이벤트)가 검출된 후에, 알람 신호가 제공될 수 있다. 예를 들어, 모든 퓨즈가 블로우 되거나 메모리 셀이 오버플로될 수 있을 때 알람 신호를 토글될 수 있다. 알람 신호는 디바이스가 ESD 이벤트에 의해 에이징되었음을 경고하는 경보를 제공할 수 있다.
EOS 검출 회로는 다이 레벨 및/또는 시스템 레벨에서 기능 안전성 정보를 제공할 수 있다. 다이 레벨에서, EOS 이벤트를 기록하고 모니터링하는 것은 다이의 기능 안전성의 표시를 제공할 수 있다. 이러한 정보는 다이 외부에 보고될 수 있다. 다이의 기능 안전성에 관한 경고를 제공하고 및/또는 다이의 교체와 같은 조치가 취해질 것을 제안하기 위해 다이 외부에 알람 신호가 제공될 수 있다. 시스템 레벨에서, EOS 이벤트를 검출하는 것은 시스템 레벨에서 기능 안전성에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 정보는 예를 들어 예측 유지관리를 위해 사용될 수 있다.
고성능 구현을 위해 ESD 보호 디바이스의 어떤 물리적 레이아웃이 구현될 수 있다. 아래에 논의된 물리적 레이아웃은 본원에 논의된 EOS 보호 디바이스 중 임의의 것과 연결하여 구현할 수 있다. 예시적 물리적 레이아웃이 도 36a 내지 도 36c에 도시되었다.
도 36a는 ESD 보호 디바이스(360)의 물리적 레이아웃의 예를 제공한다. 도 37a에서, ESD 보호 디바이스는 평면도에서 환형 구조이다. 이것은 비교적 높은 전류 취급 능력을 가능하게 할 수 있다. ESD 보호 디바이스(360)의 애노드(362) 및 캐소드(364)는 본드 패드(366) 주위에 제공될 수 있다. ESD 보호 디바이스의 가장 약한 지점은, 증가된 간격, 저항 및/또는 곡률을 갖더라도, 핑거의 끝에 있을 수 있는데, 이것이 그의 위치가 전형적으로 가장 높은 전계을 갖기 때문이다. 본드 패드를 둘러싸는 원형 디바이스를 모방하기 위해 시스템 레벨 ESD 보호를 위해 환형 ESD 실리콘 제어 정류기(SCR)가 사용될 수 있다. 이러한 SCR은 전체 기술적 개시가 본원에 참조로서 포함되는 미국 특허 제6,236,087호에 기술된 특징들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
평면도에서 환형 형상의 ESD 보호 디바이스는 상대적으로 넓은 주변 영역을 가질 수 있고, 따라서 전류가 흐를 수 있는 비교적 큰 단면적을 가질 수 있다. 일례로서, 주변은 약 400㎛일 수 있고, 다이오드 접합은 약 3㎛ 깊이일 수 있으므로, 단면적은 약 1200㎛2일 수 있다. 또한, 환형 구조로, 금속은 4 측에 본드 패드로부터 나올 수 있다. 이것은 ESD 잽(zap)에 대한 저항을 실질적으로 최소화하기 위해 결합할 수 있고, 따라서 칩 내부의 민감성 회로에 의해 경험되는 전압이 실질적으로 최소화될 수 있다. ESD 잽에의 더 낮은 저항 경로를 제공할 수 있는 또 다른 접근법은 전도가 실리콘을 통해 수직으로 내려가는 순수 수직 다이오드이다. 이러한 다이오드에서, 100 ㎛ x 100 ㎛ 패드에 있어서, 단면적은 10,000 ㎛2이며, 금속 저항은 일 측에 두꺼운 저 저항 금속 패들이 그리고 다른 측에 근접하여 저 저항 본드가 있을 수 있기 때문에 상대적으로 작을 수 있다.
몇몇 경우에, 이상적인 ESD 디바이스는 실질적으로 동일한 전계가 이러한 구조 내의 접합 전체를 따라 존재할 수 있기 때문에 원형일 수 있다. 원형 ESD 디바이스 레이아웃은 면적 효율이 좋지 않을 수 있으며 내부 애노드는 외부 캐소드보다 접합 영역에서 더 작을 수 있다. 원형 ESD 디바이스 레이아웃은 근사적으로 동일한 영역을 소모하는 일부 다른 공통 ESD 레이아웃보다 큰 전류를 전도할 수 있다. 원형 ESD 디바이스 레이아웃은 EOS 이벤트와 관련된 전류와 같은 비교적 큰 전류를 전도할 수 있다. 따라서, 이러한 ESD 디바이스 레이아웃은 ESD 디바이스가 EOS 이벤트와 관련된 에너지를 하베스트하기 위해 사용되는 어떤 응용에서 바람직할 수 있다.
도 36b는 ESD 디바이스(361)의 물리적 레이아웃의 예를 제공한다. ESD 디바이스(361)의 물리적 레이아웃은 평면도에서 비교적 큰 원형 형상이다. 이것은 애노드(362)와 캐소드(364) 사이의 접합 영역 간에 차이를 감소시킬 수 있다.
도 36c는 ESD 디바이스(368)의 물리적 레이아웃의 예를 제공한다. ESD 디바이스(368)는 더 작은 원형 ESD 디바이스(369) 상대적으로 조밀한 어레이의에 의해 구현된다. 보다 작은 원형 ESD 디바이스(369)는 측방 및/또는 수직으로 서로에 대해 맞대어질 수 있다. 보다 작은 원형 ESD 디바이스(369)의 어레이는 예를 들어 스마트 시계와 같은 착용가능 컴퓨팅 디바이스에 구현될 수 있다.
도 37a는 실시예에 따라 단일 칩 상에 ESD 보호 및/또는 에너지 하베스트 회로와 통합된 하나 이상의 마모 또는 부식 모니터링 디바이스(371)를 포함하는 수직 통합 시스템(370a)의 개략도이다. 하나 이상의 마모 모니터 디바이스와 조합된 ESD 보호 및 저장 칩(372)은, ESD 이벤트로부터 에너지를 이용할 수 있는 회로 및 ESD 이벤트와 관련된 전하를 저장하도록 구성된 저장 요소 외에도, 시스템 또는 시스템 성분의 마모 레벨을 감지하는 회로를 포함한다. 조합된 칩(372)은 ASIC(374)과 적층될 수 있다. ESD 보호 디바이스 및 저장 요소를 단일 다이에 조합하는 것은 피라미드 구성으로 적층된 2개의 개별 다이에 비해 수직 통합 시스템의 높이를 감소시킬 수 있다. ESD 보호 디바이스와 저장 디바이스를 단일 다이에 조합하는 것은 2개의 개별적으로 적층된 다이에 비해 서지 전도 지점과 저장 요소로부터 경로의 길이 및/또는 저항을 감소시킬 수 있다. ASIC(374)은 조합된 칩(372)의 저장 요소로부터 전하를 수신할 수 있다. ASIC과는 다른 칩 상에 에너지 하베스트 회로를 갖는 것은 ESD 보호 디바이스와 같은 EOS 보호 디바이스가 보다 큰 EOS 이벤트, 예를 들어 더 큰 ESD 이벤트로부터 전하를 저장하게 확대되게 할 수 있다. 하나 이상의 마모 또는 부식 모니터 디바이스(371)는 본원에 다른 어떤 곳에서 논의된 바와 같이, 상이한 스트레스 조건, 예컨대 온도, 전압, 등을 모니터링 또는 측정하기 위해 임의의 SIP(패키지 내 시스템) 내에 또는 독립적으로 시스템 내에 통합될 수 있음을 이해할 것이다.
도 37b는 도 37a에 도시된 완전히 패키징된 수직 통합 시스템(370a)의 단면도(370b)이다. 단면도(370a)는 공기 또는 수분이 마모 또는 부식 모니 디바이스(371)와 직접 접촉할 수 있도록 패키징 물질(또는 장벽 또는 인캡슐런트)(378)를 통해 형성된 개구(또는 애퍼처, 도관 또는 통로)(375)를 도시한다. 조합된 칩(371)과 ASIC 주 다이는 와이어 본딩(376), 또는 어떤 다른 적절한 전기적 연결 또는 도전성 경로를 통해 서로 그리고 외부에 전기적으로 연결된다.
도 37c는 시스템(370c)이 센서 다이에 전기적으로 연결된 마이크로 전자기계식 센서(MEMS)(373)를 추가로 포함하는 것을 제외하고는 도 37a/도 37b의 시스템(370a/b)과 유사한 완전히 패키징된 수직 통합 시스템(370c)의 단면도이다. 또한, 도 37a/도 37b의 시스템(370a/b)과는 달리, 시스템(370c)은 마모 또는 부식 모니터 디바이스(371)를 MEMS(373) 및/또는 ASIC(374)으로부터 공동(379)에 의해 물리적으로 분리된 ASIC(374)(또는 시스템 내의 처리 다이)에 전기적으로 연결하는 복수의 실리콘 관통 비아(TSVs)(377)을 추가로 포함한다. MEMS(373) 및/또는 ASIC(374)으로부터 모니터 디바이스(371)를 분리함으로써, 모니터 디바이스(371)의 회로는, 예를 들어, 패키지/모듈/시스템 레벨에서 형성된 개구를 통해 선택적으로 노출될 수 있다. 이점이 있게, 그와 같이 함으로써, 모니터 디바이스(371)는 ASIC(374)으로부터 분리되어 유지될 수 있고, 더 높은 온도 및/또는 더 혹독한 환경에 노출되도록 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 공동(379)은 공동이 MEMS(373)와 오버랩하도록 모니터 디바이스(371)의 기판의 부분을 에칭함으로써 형성된다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않으며 공동(379)을 모니터 디바이스(371) 사이에 배치하기 위해 다른 적절한 프로세스가 사용될 수 있다.
조합된 칩(372)과 ASIC 주 다이는 배선(376)을 통해 서로 그리고 외부에 전기적으로 연결된다. 조합된 칩(372)은 도시된 바와 같이 하나 이상의 실리콘 관통 비아(TSV)(377)에 의해, 또는 도 37b에 도시된 바와 같이 와이어 본딩(376)을 사용하여 전기적으로 연결될 수 있다.
확산 강화 모니터 디바이스 구조
일부 응용에 있어서, 코어 디바이스에 미치는 기계적 마모 스트레스의 영향을 모니터하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 응용에서, 모니터링될 코어 디바이스는 스트레스 하에 있는 정적 디바이스, 예를 들어 인접한 샐로우 트렌치 격리로부터의 스트레스 하에 있는 트랜지스터 디바이스, 또는 자신이 형성된 가요성 기판으로부터 스트레스 하에 있는 반도체 디바이스일 수 있다. 다른 응용에서, 모니터링될 코어 디바이스는 동적 디바이스, 예를 들어, MEMS(micro electro mechanical system) 디바이스일 수 있다. 이들 용용에 있어, 이러한 기계적 마모 스트레스로 인한 마모 스트레스를 모니터링하는 것이 바람직할 수 있다.
어떤 상황 하에서, 기계적 스트레스는 도펀트 원자의 확산 속도에 변화를 야기할 수 있다. 도 38a-도 38e는 기계적 변형과 관련된 마모-스트레스가, 예를 들어, 모니터 원자의 기계적 스트레스-강화된 확산을 이용함으로써 모니터링될 수 있도록 가요성 기판 내에 또는 그 위에 형성되는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예를 도시한다. 각각의 모니터 디바이스(380a-380e)는 가요성 기판(383)에 형성된 복수의 도핑 영역을 갖는다. 복수의 도핑 영역은 어레이를 형성할 수 있다. 가요성 기판(382)은 가요성 물질, 예를 들어, 가요성 폴리머 물질, 또는 예를 들어, 반도체/유전체 기판이 가요성이 되도록 약 500 ㎛ 미만으로 실질적으로 얇은 반도체/유전체 기판으로 형성될 수 있다. 기판(382)은 제1 도펀트 유형으로 도핑되거나, 예를 들어 저농도로 도핑되거나, 도핑되지 않을 수 있다. 모니터 디바이스는, 예를 들어, 벤딩 또는 휨에 의해 야기되는 기계적 변형이 피로와 같은 마모 스트레스와 관련된 전기적 서명이 되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 기판(382)은 기계적 변형을 전기 신호로 변환하기 위해 압전 물질과 같은 물질을 포함하거나 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.
도 38a 및 도 38b는 실시예에 따라 기판(382)이 벤딩 전(도 38a) 및 후(도 38b)의 마모 모니터 디바이스(380a/380b)를 도시한다. 모니터 디바이스(380a 및 380b) 각각은 제2 도펀트 유형으로 도핑될 수 있는 복수의 도핑된 영역(384a, 384b)을 갖는다. 기판(382)이 제1 도펀트 유형으로 도핑될 때, 전술한 다양한 실시예와 관련하여 설명된 바와 같이, 확산된 모니터 원자를 검출하기 위해 사용될 수 있는 공핍 영역(386a, 386b)이 형성되도록, PN 접합이 형성된다. 상술한 바와 같이, 도핑된 영역(384a, 384b)은 하지의 기판으로, 예를 들어, 공핍 영역으로 확산되도록 된 모니터 원자를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 모니터 원자는 도핑된 영역(384a, 384b) 상에 형성될 수 있고, 다른 실시예들에서 모니터 원자는 제2 도펀트 유형으로 도핑된 도핑 영역의 도펀트들에 추가로 형성되거나, 또는 적어도 부분적으로 대체될 수 있다. 동작에서, 도 38b에 도시된 바와 같이 벤딩된 모니터 디바이스(380b) 내로 모니터 디바이스(380a)의 벤딩으로 도핑된 영역(384b)은 도시된 바와 같은 인장 스트레인 하에, 또는 반대 방향(도시되지 않음)으로 벤딩되었을 때는 압축 스트레인 하에 놓여지게 된다. 인장 또는 압축 스트레인은 하지의 기판 물질로 모니터 원자의 확산 속도를 변화시킬 수 있으며, 그 변화는 전술한 바와 같이 감지 회로를 사용하여 검출될 수 있다.
도 38c는 실시예에 따라 기계적 변형과 관련된 스트레스를 모니터링하도록 구성된 또 다른 마모 모니터 디바이스(380c)를 도시한다. 도 38a/도 38b의 마모 디바이스(380a/380b)와 유사하게, 마모 모니터 디바이스(380c)는 가요성 기판(382) 내에 복수의 도핑 영역 (384c)을 갖는다. 그러나, 마모 모니터 디바이스(380a/380b)와는 달리, 도핑 영역(384c)은 복수의 연결된 도핑 영역(384c)을 및 대응 공핍 영역(386c)을 형성하기 위해 병합된다.
도 38d 및 도 38e는 실시예에 따라 기계적 변형과 관련된 스트레스를 모니터링하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(380d, 380e)의 추가 실시예를 도시한다. 도 38a/도 38b의 마모 디바이스(380a/380b)와 유사하게, 마모 모니터 디바이스(380c, 380d)는 가요성 기판(382) 내에 각각 복수의 제1 도핑 영역(384d, 384e)을 갖는다. 그러나, 마모 모니터 디바이스(380a/380b)와는 달리, 마모 모니터 디바이스(380d, 380e)는 가요성 기판(382) 내에 복수의 제2 도핑 영역(386d, 386e)을 갖는다. 제2 도핑 영역(386d, 386e)은 도 11a 및 도 11b와 관련하여 전술한 바와 같이 제1 도핑 영역(384e, 384e)과 비교하여 반대로 도핑되고 펀치-스루 모니터로서 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 38d에 도시된 바와 같이, 측방으로 인접한 제1 도핑 영역(384d) 및 측방으로 인접한 제2 도핑 영역(386d)은 대응하는 제1 및 제2 도핑 영역(384d, 386e) 사이의 수직 분리 거리(d1)가 비교적 일정하도록 유사한 깊이를 가지면서 유사하거나 변화하는 도펀트 농도를 가질 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 측방으로 인접한 제1 도핑 영역(384e) 및 측방으로 인접한 제2 도핑 영역(386e)은 도시된 바와 같이 그리고 도 380e의 마모 모니터 디바이스(380e)에서와 같이, 대응하는 제1 및 제2 도핑 영역(384e, 386e) 사이의 수직 분리 거리(d2)가 변하도록 유사하거나 변화하는 도펀트 농도 및 상이한 깊이를 가질 수 있다.
일부 응용에 있어, 어떤 디바이스 구조의 전계 강화로 인한 마모 효과를 모니터링하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 응용에서, 모니터될 코어 디바이스는 인접한 영역에 비해 전계이 강화되도록 비교적 예리한 피처를 갖는 구조적 피처를 가질 수 있다. 또한, 이러한 전계의 강화는 EOS/ESD 이벤트에 이르게 할 수 있으며, 이에 따라 반도체 물질에 격자 결함을 일으킬 수 있으며, 이를 통해 원자 확산 속도가 실질적으로 향상될 수 있다. 따라서, 여러 응용에 있어서, 이러한 전계-강화 효과로 인한 마모 스트레스를 모니터링하는 것이 바람직하다.
도 39a는 전계 하에서 전극으로서 작용할 수 있는 하나 이상의 톱니 구조(392a)를 갖는 마모 모니터 디바이스(390a)를 도시한다. 일부 실시예에서, 상측 및 하측 톱니 구조(392a, 392b)는 각각 반도체 물질 또는 도전성 물질일 수 있는 제1 물질로 형성된다. 톱니 구조(392a/392b)는 반도체 물질 또는 유전체 물질일 수 있는 제2 물질로 형성된 중재된 구조(394)에 의해 중재된다. 도시된 실시예에서, 제1 물질은 제1 도펀트 유형, 예컨대 n-형으로 도핑된 반도체 물질을 포함하고, 제2 물질은 제2 도핑 유형, 예를 들어, p-형으로 도핑된 반도체 물질을 포함한다. 도 39a의 마모 모니터 디바이스(390a)는 톱니 구조(392a) 또는 중재된 구조(394) 중 어느 하나에 존재할 수 있는 모니터 모니터 원자를 포함하며, 모니터 원자는 마모 모니터 디바이스(390a) 내에서 확산되도록 구성된다. 톱니 구조(392a/392b)는 전계가 상측 및 하측 톱니 구조(392a/392b) 사이에 인가될 때 전계를 강화시키도록 구성된 복수의 전계 강화 영역(396)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 대향하는 전계-강화 영역(396)의 상이한 쌍들 사이의 갭(d1) 및/또는 곡률 반경은 상이한 쌍이 서로 다른 전계 값 하에서 방전 이벤트, 예를 들어 EOS/ESD 이벤트를 받을 수 있도록 달라질 수 있다. 하나 이상의 EOS/ESD 이벤트가 대향하는 전계-강화 영역(396) 쌍 사이에서 발생할 때, 어떤 격자 결함(398), 예를 들어, 적층 폴트 또는 전위(dislocation)가 형성될 수 있고, 그럼으로써 모니터 원자에 대한 강화된 확산 경로를 제공할 수 있다. 동작에서, 상측 및 하측 톱니 구조(392a) 사이에 전계를 인가함으로써, EOS/ESD 이벤트가 이들 사이에 유도될 수 있어, 예를 들어, 톱니 구조(392a/392b) 내의 격자 결함(398)을 통해 모니터 원자의 원자 확산이 강화되게 할 수 있다. 이로부터, 예를 들어 코어 회로 내 모니터링된 구조의 마모 레벨은 상술한 바와 같이, 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 39a에 도시된 기준 디바이스(390b)에 도 39a의 마모 모니터 디바이스(390a)가 제공될 수 있다. 모니터 디바이스(390a)와는 달리, 기준 디바이스(390b)는 모니터 디바이스(390a)(도 39a)의 톱니 구조(392a/392b)와 동일한 물질로 형성된 상측 및 하측 영역(393a, 393b), 및 모니터 디바이스(390a)(도 39a)의 중재된 구조(394)와 동일한 물질로 형성된 중재 구조(395)를 포함한다. 동작에서, 상측 및 하측 톱니 구조(392a, 392b) 사이에 인가되는 전계로서 상측 및 하측 구조(393a, 393b) 사이에 유사한 전계를 인가함으로써, 상측 및 하측 톱니 구조(392a, 392b) 사이에서 EOS/ESD 이벤트가 유도될 수 있고, 반면에 비슷한 EOS/ESD 이벤트는 상측 구조(393a)와 하측 구조(393b) 사이에 유도되지 않는다. 따라서, 전술한 바와 같이, 예를 들어, 코어 회로 내 모니터링 되는 구조의 마모 레벨이 결정될 수 있다.
도 40은 실시예에 따라, 반도체 물질 내에서 확산하도록 구성되고 스트레스 조건이 모니터 원자가 반도체 기판(450)에서 확산되는 레이트의 변화를 일으키도록 구성된 모니터 원자들을 포함하는 마모 모니터 디바이스(400)의 예시이다. 마모 모니터 디바이스는 일 측 또는 양 측에 측방으로 격리 영역(401a), 예를 들어 샐로우 트렌치 격리 영역을 포함한다. 마모 모니터 디바이스는 실리콘 온 절연체(SOI)의 매립 산화물(BOX)과 같은 매립 산화물층(401b)일 수 있는 매립층(401b)을 추가로 포함한다. 따라서, 디바이스(400)는 격리 영역(401a) 및 매립층(401b)에 의해 주변 영역으로부터 전기적으로 격리될 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 기판(450)은 적어도, 에피택셜 영역일 수 있는 다양한 도핑 영역이 형성되는 상측 부분일 수 있다. 도시된 마모 모니터 디바이스(400)는 수직으로 매립 산화물층(401b) 위에 그리고 격리 영역(401a) 사이에 측방으로 연장되는 매립층 영역(462)을 추가로 포함한다. 마모 모니터 디바이스(400)는 반도체 기판(450) 내에 형성된 제1 도핑 영역(458)을 추가로 포함하고 매립층 영역(462)과 접촉하거나 또는 접촉하지 않을 수 있다. 기판(450), 매립층 영역(462) 및 제1 도핑 영역은 일부 실시예에 따라, 동일한 도펀트 유형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 기판(450)은 n-형 도펀트 또는 p-형 도펀트일 수 있는 제1 도펀트 유형으로 제1 농도로 도핑될 수 있다. 매립층 영역(458)은 기판(450)에 비해 더 높은 농도로 제1 도펀트 유형으로 도핑될 수 있다. 유사하게, 매립층 영역(458)은 기판(450)에 비해 더 높은 농도로 제1 도펀트 유형으로 도핑될 수 있다. 도시된 실시예에서, 기판(450), 제1 도핑 영역(458) 및 매립층 영역(462) 각각은 n-형 도펀트로 도핑된다.
마모 모니터 디바이스(400)는 제1 도펀트 유형으로 도핑된 제1 고농도 도핑 영역(454a)을 포함한다. 도 40의 도시된 실시예에서, 제1 도핑 영역(454a)은 고농도로 도핑된 n-도핑(n+) 영역이다. 마모 모니터 디바이스(400)는 제1 도펀트 유형에 반대되는 제2 도펀트 유형으로 도핑된 제2 도핑 영역(454b)을 추가로 포함한다. 예시된 실시예에서, 제2 도핑 영역(454b)은 p-도핑된 영역, 예를 들어 고농도로 도핑된(p+) 영역이다.
예시된 실시예에서, 기판(450)의 부분은 실질적으로 제1 또는 제2 고농도 도핑 영역(454a 또는 454b) 미만의 농도로 제1 또는 제2 도펀트 유형으로 도핑되게 제1 및 제2 도핑 영역(454a, 454b)을 측방으로 분리시키는 개재 영역을 형성한다. 도시된 실시예에서, 개재 영역은 n-도핑 영역이다. 따라서, 마모 모니터 디바이스(400)는 일 실시예에서, PN 접합이, 예를 들어, p+ 제2 고농도 도핑 영역(454b)/기판(450)/제1 도핑 영역(458)/P+/N-/N/N+ 영역으로 형성된 n+ 제1 고농도 도핑 영역(454a)을 포함하게, 제1 및 제2 고농도 도핑 영역(454a, 454b) 및 제1 및 제2 도핑 영역(454a, 454b)을 개재하는 제1 도핑 영역(458) 및 기판(450)을 포함할 수 있다. 그러나, 마모 모니터 디바이스(400)의 다양한 도핑된 영역은 단지 예로서 도시되고, 다른 실시예가 가능한데, p+ 제2 고농도 도핑 영역(454b), 기판(450), 제1 도핑 영역(458) 및 n+ 제1 고농도 노동 영역(454a) 각각은 PN 접합이 형성되도록 P+, P, P-, N+, N 또는 N- 영역 중 어느 하나를 형성하도록 도핑됨을 알게 될 것이다.
도 40의 마모 모니터 디바이스(400)에서, 제1 및 제2 도핑 영역(454a, 454b)은 유전체층(463)에 형성된 개구를 통해 각각의 도펀트를 주입함으로써 형성되는데, 그러나, 실시예는 그와 같이 제한되지 않는다. 예를 들어, 주입 마스크로서 유전층(463)을 사용하는 것 대신에 또는 그에 더하여, 다른 마스킹(예컨대, 포토레지스트) 및 도핑(예를 들어, 확산) 기술이 사용될 수 있다.
여전히 도 40을 참조하면, 마모 모니터 디바이스(400)는 유전체층(463)의 개구를 통해 각각 제1 고농도 도핑 영역(454a) 및 제2 고농도 도핑 영역(454b) 위에 형성된 제1 전극(408a) 및 제2 전극(408b)을 추가로 포함한다. 제1 및 제2 전극(408a, 408b)은 중 하나 또는 둘 다는 전술한 바와 같이, 모니터 원자를 포함하거나 형성되되며, 모니터 원자의 저장소로서 작용한다. 도시된 실시예에서, 제1 전극(408a) 및 제2 전극(408b)은 각각 제1 부착층(412a) 및 제2 부착층(412b) 상에 형성된다. 도 6a/도 6b 관련하여 전술한 바와 같이, 부착층(412a, 412b)은 제1 및 제2 전극(408a, 408b)의 부착을 향상시킬 수 있다. 제1 및 제2 전극(408a, 408b) 중 하나 또는 둘 모두는 마모 모니터 디바이스가 소정의 지속시간 동안 한 세트의 소정의 조건을 받을 때, 각각의 전극 내의 모니터 원자의 일부가 각각의 전극 제1 및 제2 고농도 도핑 영역(454a, 454b)을 통해 아래에 형성된 공핍으로 확산하게 구성된다. 하지의 반도체 물질 내, 예를 들어 공핍 영역 내의 확산된 모니터 원자의 농도 및/또는 깊이에 따라, 모니터 디바이스(400)의 누적 마모 이력, 예를 들어 누적 열 마모 이력이 적어도 간접적으로 결정될 수 있다.
따라서, 구성된 바와 같이, 마모 모니터 디바이스(400)는 기판의 표면 상에 배치된 모니터 원자의 하나 이상의 저장소(즉, 제1 및/또는 제2 전극(408a, 408b)) 및 기판(450) 내에 형성된 모니터 영역(예를 들어, 제2 고농도 도핑 영역(454b) 밑에 형성된 공핍 영역)을 갖는다. 모니터 원자는 마모 모니터 디바이스가 소정의 지속시간 동안 한 세트의 소정의 스트레스를 받을 때 일부 모니터 원자가 모니터 영역으로 확산하도록 기판의 반도체 물질에 확산 특징을 갖는다. 저장소는, 예를 들어, 모니터 원자를 내포하는 전극 또는 모니터 원자로 형성된 층을 포함할 수 있다. 모니터 영역은, 예를 들어, 상술한 바와 같이 PN 접합에 의해 형성된 기판 내의 영역, 예를 들면, 공핍 영역을 포함할 수 있다.
도 40의 마모 모니터 디바이스(400)를 포함하는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예는 모니터 영역 내의 모니터 원자의 존재와 관련된 전기적 특성 또는 전기적 서명이 측정될 수 있도록 구성된다. 전기적 서명은, 예를 들어, 몇가지를 나열하면, 접합 누설, 접합 커패시턴스, 접합 빌트-인 전위, 접합 역 회복 시간, 바이폴라 베이스 트랜지트 시간(fT), 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터 임계 전압, MOS 채널 서브-임계 스윙, MOS 채널 누설, 펀치-스루 브레이크다운 전압(BV), 및 충격 이온화 브레이크다운 전압(BV) 중 임의의 하나 이상일 수 있다.
도 41a는 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압(IV) 곡선(412) 및 역방향 바이어스 하에서 브레이크다운을 보여주는 그래프(410A)를 도시한다. IV 곡선(412)은 50개의 상이한 제조된 디바이스의 것들로서, 상이한 디바이스들 간에 유사한 브레이크다운 전압(BV) 및 누설 전류로 나타낸 바와 같이, 전기적 성능에서 디바이스 간에 높은 균일성 정도를 나타낸다.
도 41b는 200℃에서 열 스트레스의 상이한 지속시간을 받은 후에, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압(IV) 곡선을 도시하는 그래프(410B)를 도시한다. 특히, IV 곡선(416a-416e)은 제조되었을 때(416e), 약 1일 동안 베이킹 후(416d), 약 2일 동안 베이킹 후(416c), 약 3일 동안 베이킹(416b) 후, 및 약 4일 동안 베이킹 후(416a)를 포함한, 여러 베이킹 시간 후에 취해진 측정들을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 누설 전류는 베이킹 시간이 증가함에 따라 증가한다.
도 41c는 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 순방향 바이어스 하에서 실험 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프(410C)를 도시한다. 특히, IV 곡선(418)은 역방향 바이어스 하에서 도 41b의 IV 곡선(416e-416a)에 대응하는, 제조되었을 때 및 약 1일 내지 4일 동안 베이킹 후를 포함하는, 다양한 베이킹 시간 후에 취해진, 순방향 바이어스 하에서의 중첩된 측정을 나타낸다.
도 42a는 200℃에서 열 스트레스의 상이한 지속시간을 받을 후, 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 역방향 바이어스 하에서 실험적으로 측정된 누설 전류를 플롯한 차트(420A)를 도시한다. 차트(420A)는 200℃에서 상이한 열 스트레스의 상이한 지속시간을 받은 후에 5V에서 측정된 실험 누설 전류의 플롯(422)을 도시한다. 특히, 플롯(422)은 제조되었을 때 및 약 1-9일 동안 베이킹 후를 포함하여, 다양한 베이킹 시간 후에 취해진 측정을 도시한다. 도시된 바와 같이, 누설 전류는 베이킹 시간이 증가함에 따라 증가한다.
도 42b는 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 실험적으로 측정된 누설 전류를 플롯하는 도 42a의 차트(420A)에 기초하여, 상이한 온도에서 열 스트레스의 상이한 지속시간을 받은 후 역방향 바이어스 하에서 계산된 누설 전류를 작한 차트(420B)이다. 특히, 차트(420B)는 계산된 플롯(424, 426, 428)을 도시하며, 이들의 계산은 제조되었을 때 및 약 1-9일 동안 베이킹 후를 포함한, 다양한 베이킹 시간 후에 취재된 측정을 나타내는 도 42a의 플롯(422)과 관련하여 상술한 실험 누설 전류에 기초한다. 예를 들어, 임의의 이론에 구애됨이 없이, 베이킹 시간의 함수로서의 누설 전류 밀도는 예를 들어, Fick의 제2 법칙에 기초한 시간-의존 확산 식과 유사하게 도출될 수 있는 식에 기초하여 계산될 수 있다. 이러한 표현에 기초하여, 하나의 베이킹 온도에서 누설 전류의 실험적으로 결정된 시간 의존성이 다른 베이킹 온도에서의 누설 전류의 시간 의존성을 예측하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 누설 전류는 베이킹 온도가 증가함에 따라 보다 빠른 레이트로 증가한다.
도 42c는 실험적으로 측정된 누설 전류를 플롯하는 도 42의 차트(420A)에 기초하여, 그리고 도 40에 개략적으로 도시된 디바이스와 유사한 제조된 마모 모니터 디바이스의 계산된 누설 전류를 플롯한 도 42b의 차트(420B)에 기초하여, 상이한 온도에서 열 스트레스의 상이한 지속시간을 받을 후 역방향 바이어스 하에서 누설 전류를 플롯하는 콘투어 차트(420C)이다. 이러한 콘투어 플롯에 기초하여, 누설 전류의 예측 시간 및 온도 의존성은 위에 논의된 바와 같이, 모니터 원자의 확산이 예측 행동을 따르는 것으로 예상되는 임의의 온도 범위 및 임의의 시간 범위에 대해 결정될 수 있다.
제어된 활성화를 갖고 구성된 마모 모니터 디바이스
전술한 바와 같이, 다양한 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스는 스트레스 조건에 응하여 확산 속도가 변화하는 모니터 원자를 갖는다. 전술한 바와 같이, 원자 확산에 기초한 마모 모니터 디바이스는, 코어 회로 및/또는 마모 모니터 디바이스가 활성화되었는지 여부에 무관하게 원자 확산이 발생하기 때문에, 코어 회로 및/또는 마모 모니터 디바이스가 활성화되었는지 여부에 관계없이 코어 회로의 마모를 모니터링하는 능력을 포함하여, 많은 이점을 갖는다. 그러나, 일부 응용에 있어, 모니터링 시작 시점의 타이밍을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 다음에, 마모 모니터 디바이스의 확의 개시의 시작 시점 또는 시간이 예를 들어 전압 펄스 또는 전류 펄스를 디퓨전트를 갖는 확산 영역에 사용함으로써 마모 디바이스가 초기화 또는 활성화될 때까지 예를 들어 원자 확산을 방지하거나 제한함으로써 제어될 수 있는 마모 모니터 디바이스의 실시예가 설명된다. 이하에 개시된 다양한 실시예는 이들 및 다른 요구를 처리한다.
도 43a는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(430)를 도시한다. 도 43b는 도 43a의 모니터 디바이스(430)의 확대도이다. 특히, 마모 모니터 디바이스(430A/430B)는 장벽(438)에 의해 제2 영역, 예를 들어 기판(62)으로부터 분리된 모니터 원자를 포함하는 제1 영역, 예를 들어 저장소(434)를 포함한다. 마모 모니터 디바이스는 모니터 원자가 전기 자극에 응하여 장벽을 통해 제2 영역으로 확산되도록 구성된다. 실시예에 따라, 모니터 디바이스는 약 0.5eV 내지 약 3.5eV 사이인 기판에 확산 활성화 에너지를 갖는 모니터 원자를 갖는다. 도 6a 및 도 6b와 관련하여 전술한 모니터 디바이스(60)와 유사하게, 마모 모니터 디바이스(430)는 반도체 기판(62) 및 이의 내부에 확산되도록 구성된 모니터 원자를 포함하며, 모니터 원자는 스트레스 조건이 모니터 원자가 반도체 기판(62) 내에서 확산하는 레이트의 변화를 야기하도록 구성된다.
모니터 디바이스의 다양한 영역
마모 모니터 디바이스(430)는 n-형 또는 p-형일 수 있는 제1 도펀트 유형으로 도핑된 제1 도핑 영역(64)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 제1 도핑 영역(64)은 고농도로 도핑된 p-도핑 영역, 예를 들어 고농도로 도핑된(p+) 영역이다.
마모 모니터 디바이스(430)는 제1 도펀트 유형과 반대되는 제2 도펀트 유형으로 도핑되는, 즉, 제1 도핑 유형(64)이 n-도핑될 때 p-도핑되는 제2 도핑된 영역(66), 및 그 반대는 반대로된 영역을 추가로 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 도핑된 영역(66)은 n-도핑된 영역, 예를 들어 고농도 도핑된 (n+) 영역이다.
마모 모니터 디바이스(430)는 모니터 원자의 저장소(434)를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 저장소(434)는 도 6a/도 6b와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 제1 도핑 영역(64)과 접촉하는 제1 전극(68a)으로서 작용한다. 이들 실시예에서, 마모 모니터 디바이스(430)는 제2 도핑 영역(66)과 접촉하는 제2 전극(68b)(도시 생략)을 추가로 포함한다. 일부 다른 실시예에서, 저장소(434)는 전극으로서 작용하지 않는다. 이들 실시예에서, 모니터 디바이스(430)는 제1 도핑 영역(64)과 접촉하는 제1 전극(68a) 및 제2 도핑 영역(66)과 접촉하는 제1 전극(68b)을 더 포함하고, 모니터 원자를 내포하는 저장소(434)는 제1 및 제2 전극(68a, 68b) 사이에 배치될 수 있다. 도 6a/도 6b의 마모 모니터 디바이스(60)의 대응하는 특징과 유사한 마모 모니터 디바이스(430)의 다양한 다른 구조적 특징에 대한 상세한 설명은 여기에선 생략된다.
저장소(434)는 모니터 원자를 포함하는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(68a)으로서 구성될 때, 저장소(434)는 예를 들어 모니터 원자를 포함하거나 이것으로 형성되어 모니터 원자의 저장소로서 역할을 하는 된 전기적으로 도통하는 조성물에 대해 도 6a/도 6b에 관하여 전술한 제1 전극(68a)과 유사할 수 있다. 그러나, 저장소(434)가 전극으로서 작용하지 않거나 작용할 필요가 없는 실시예에서, 저장소(434)의 조성물은 전기으로 도통될 필요는 없다. 예를 들어, 모니터 원자는 저장소로서 작용하는 동안, 저장소(434) 자체가 전기적으로 도통일 필요가 없게 모니터 원자를 내포하거나, 함침되거나, 도핑되거나 아니면 포화된 전기 절연 물질로 형성되거나 포함할 수 있다. 예를 들어, 저장소(434)는 유전체 물질(예를 들어, 산화물, 질화물, 폴리머, 등)로 형성되거나 포함될 수 있거나, 비교적 저농도의 전기적 활성 도펀트로 도핑된 반도체로 형성되거나 포함할 수 있다.
위에 도시된 마모 모니터 디바이스와 다른 차이로서, 저장소(434)는 장벽(438)에 의해 반도체 기판(62)으로부터 분리될 수 있다. 도시된 실시예에서, 장벽(438)은 저장소(434)와 기판(62) 사이에 개재되어, 저장소(434)를 둘러싼다. 형성된 바와 같이, 장벽(438)은 변경됨이 없이 저장소(434)로부터 기판(62)으로의 모니터 원자의 확산을 차단하는 물질로 형성된 물리적 장벽이다.
도 44a 및 도 44b는 실시예에 따라, 도 43a/도 43b와 관련하여 위에 예시된 것과 같은 마모 모니터 디바이스 내의 모니터 원자에 의해 "보여지는" 잠재적 장벽을 나타내는 3- 및 2-차원 에너지-공간 다이어그램(440A, 440B)을 도시한다. 다이어그램(440A)의 웰 영역 및 다이어그램(440B)의 좌측 영역은, 에너지 공간에서, 저장소(434) 내 모니터 원자에 의해 "보여지는" 에너지 레벨을 나타내고, 다이어그램(440A)의 웰 밖의 영역 및 다이어그램(440B)의 우측 영역은, 에너지 공간에서, 기판(62) 내 모니터 원자에 의해 "보여지는" 에너지 레벨을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 저장소(434) 및 기판(62)은 저장소(434) 및 기판(62)의 에너지 레벨보다 높은 모니터 원자에 의해 "보여지는" 에너지 레벨을 갖는 물리 장벽에 의해 분리된다. 에너지 장벽의 높이는, 코어 회로의 통상적인 동작 조건 하에서, 예를 들어, 약 85℃, 125℃ 또는 250℃보다 작거나 같은 온도에 상응하는 열 에너지 내에서, 에너지 장벽을 극복할 원자의 확률은 무시할 수 있게 한다. 즉, 실시예에 따라, 장벽(438)과 저장소(434) 사이의 평균 에너지 레벨 E에서 차이는, 예를 들어, 실질적으로 (kT~0.023eV)보다 높을 수 있는데, 예를 들어, 0.058 eV(400℃) 이상, 0.75 eV(600℃) 이상, 0.092 eV(800℃) 이상, 0.11 eV(1000℃) 이상일 수 있다. 따라서, 장벽(438)과 저장소(434) 사이의 E보다 낮은 온도에서, 모니터 원자의 열 에너지와 관련된(예를 들어, kT) 장벽(438)를 통한 모니터 원자의 확산 속도는 무시할 만하다. 따라서, 장벽(438)를 변경하지 않고, 모니터 원자가 기판(62) 내로 확산되는 것이 실질적으로 방지된다.
에너지-공간 다이어그램(440B)과 관련하여 도시된 실시예에서, 저장소(434) 및 기판(62)의 에너지 레벨은 실질적으로 유사하다. 이러한 것은 예를 들어, 저장소(434)가 기판과 동일한 물질, 예를 들어 실리콘으로 형성되고 모니터 원자, 예를 들면 금이 함침되었을 때의 경우일 수 있다. 그러나, 실시예는 제한되지 않으며, 저장소(434) 및 기판(62)의 에너지 레벨은 실질적으로 상이할 수 있다. 이러한 것은, 예를 들어, 저장소(434)가 기판과 상이한 물질, 예를 들어 모니터 원자, 예컨대 금으로 함침된 전극 금속으로 형성될 수 있을 때의 경우일 수 있다.
일부 실시예에서, 장벽(438)과 저장소(434) 사이의 E는, 예를 들어, 장벽(438) 및 저장소(434) 내의 모니터 원자들의 활성화 에너지에 차이에 대응할 수 있다. 이들 실시예에서, 장벽(438) 내의 모니터 원자의 활성화 에너지는, 실시예에 따라, 저장소(434) 내의 모니터 원자의 활성화 에너지보다, 예를 들어, 0.058 eV(400℃) 이상, 0.75 eV(600℃) 이상, 0.092 eV(800℃) 이상, 0.11 eV(1000℃) 이상만큼 클 수 있다.
장벽(438)을 위해 사용되는 절연 또는 유전체 물질의 예는 반도체 처리와 호환가능한 다양한 무기 유전체 물질, 예를 들어, 몇가지를 나열하면, SiOx, SiOxNy, 및 SiNx을 포함한다. 장벽(438)을 위해 사용되는 절연 또는 유전체 물질의 예는 또한 전기활성 폴리머 및 컨쥬게이트된 전도성 폴리머를 포함하는, 반도체 처리와 호환가능한 다양한 무기 또는 유기 폴리머 물질을 포함한다. 예를 들어, 장벽(438)은, 다양한 다른 적합한 고분자 물질 중에서도, 폴리피롤(PPy), 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜(PEDOT), 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸헥실옥시)-p-페닐렌 비닐렌](MEH-PPV), 폴리플루오렌, 플루오로카본 필름, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)으로 형성될 수 있고, 모니터 원자는 실시예에 따라 전술한 바와 같이 높은 장벽을 "본"다. 유리하게는, 이들 물질은 반도체 처리와 호환가능한 다양한 피착 프로세스, 예를 들어, 다른 프로세스 중에서도, 화학적 기상 피착, 원자 기상 피착, 또는 물리적 기상 피착을 사용하여 형성될 수 있다.
장벽(438)을 위해 사용되는 예시적 전도성 물질은 실시예에 따라 전술한 바와 같이 모니터 원자가 보다 높은 장벽을 "보는" 반도체 처리와 호환가능한 다양한 금속 또는 도핑된 반도체를 포함한다.
실시예에 따라, 장벽(438)은 전기 자극, 예를 들어 전압 또는 전류 자극에 반응하여, 장벽(438)이 실질적으로 변경되거나 낮아지도록 구성된 절연 또는 전도성 물질로 형성된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전기 자극, 예를 들어, 전압 또는 전류 자극에 응하여, 디퓨전트 또는 모니터 원자는 기판 내로 확산하기에 충분한 에너지를 얻는다. 다양한 실시예에서, 장벽(438)의 변경 또는 디퓨전트에 의한 충분한 에너지의 획득은, 위에 기술된 바와 같이, 코어 회로가 받는 다양한 스트레스 하에서 모니터 원자가 기판 내로 확산되기 시작하게, 마모 모니터 디바이스(430)를 개시 또는 활성화한다.
일부 실시예에서, 전압 또는 전류 자극은 차례로 저장소(434) 아래의 모니터 영역의 주울 가열을 유도할 수 있다. 예시된 실시예에서, 주울 가열은 도 8에 관련하여 전술한 전류 모니터의 주울 가열과 유사한 방식으로 발생할 수 있다. 제1 전극(68a)과 제2 전극(68b) 사이에 저장소(434)가 배치되는 것을 제외하고는, 마모 모니터 디바이스(430)의 구성은 도 8과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(80)와 구조적으로 유사할 수 있다. 주울-가열에 의해 야기되는 모니터 원자의 확산 속도의 효과를 측정하기 위해 제1 및 제2 전극(68a, 68b) 사이에 전류를 사용하는 것 외에 또는 대신에, 제1 및 제2 전극(68a, 68b) 사이에 흐르는 전류는 장벽(438)을 열 및/또는 전기적으로 변경시키기 위해 사용된다. 모니터 원자를 기판 내로 실질적으로 확산시키지 않고 주울 가열에 의해 장벽(438)을 변경하기 위해, 도 43a/도 43b에서 제1 전극(68a)과 제2 전극(68b) 사이의 순방향 바이어스 PN 접합과 직렬로 형성된 저항기로서 표현된, 저장소(434) 밑에 모니터 영역은 트랜지언트 전압 또는 전류 펄스를 받을 수 있다. 전압 또는 전류 펄스는 충분한 전류 밀도가 효율적인 주울 가열을 위해 공급될 수 있게, 마모 모니터 디바이스(430)의 PN 접합이 순방향 바이어스되는 바이어스 조건 하에서 인가될 수 있다. 순방향 바이어스에 응하여, 모니터 구조의 직렬 저항기는 충분한 열을 생성하고, 이는 E가 실질적으로 낮아지거나 제거되도록 장벽(438)이 변경되게, 예를 들어 영구적으로 변경되게 한다. 예를 들어, 주울 가열 하에서, 장벽(438)은 구조적 수정, 예를 들어, 본드 파괴 또는 핀홀을 발현할 수 있다. 일단 E가 실질적으로 낮아지거나 제거되면, 모니터 원자의 원자 확산은 전술한 다양한 실시예에서와 같이 발생한다. 예를 들어, 일단 장벽(438)이 전압 또는 전류 펄스에 의해 변경되면, 이어 마모 모니터 디바이스(430)가 소정의 지속시간 동안 한 세트의 소정의 조건을 받았을 때, 저장소(434) 내의 모니터 원자들 중 일부는 제1 및 제2 도핑 영역(64, 66) 사이에 형성된 공핍 영역으로 확산한다. 하지의 반도체 물질 내, 예를 들어 공핍 영역에서의 확산된 모니터 원자의 농도 및/또는 깊이에 따라, 디바이스(60)의 누적 마모 이력, 예를 들어, 누적 열 마모 이력은 적어도 간접적으로 결정될 수 있다. 이상에서 설명한 모니터 디바이스(430)의 디바이스 구성 및 동작에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 에너지-공간 다이어그램(440B)에 의해 도시된 마모 모니터 디바이스(430)는 예를 들어 사용으로 활성화된 마모 모니터로서 구성될 수 있다.
도 45는 실시예에 따라 마모 모니터링 디바이스 내 모니터 원자에 의해 "보여지는" 잠재적 장벽을 도시하는 2차원 에너지-공간 다이어그램(450)을 도시한다. 특히, 에너지-공간 다이어그램(450)은 장벽(438)가 생략된 것을 제외하고는 마모 모니터 디바이스(430)와 유사한 마모 모니터 디바이스에 해당한다. 또한, 저장소(434) 및 기판(62)의 에너지 레벨이 실질적으로 에너지 공간 다이어그램(450)에 대응하는 마모 모니터와 유사한 에너지-공간 다이어그램(440B)(도 44b)과 관련하여 설명된 마모 모니터와는 달리, 저장소(434)(좌측)의 에너지 레벨은 기판(62)(우측)의 에너지 레벨보다 실질적으로 낮다. 이러한 것은 예를 들어, 저장소(434)가 기판과는 상이한 물질, 예를 들어 모니터 원자가 함침된 전극 금속 또는 모니터 원자, 예를 들어, 금으로 형성된 전극으로 형성될 때의 경우일 수 있다. 이들 실시예에서, 장벽(438)이 생략되었지만, 모니터 원자는 저장소(434)와 기판(62) 사이의 에너지 레벨에서 차이(E2)로 표현되는 장벽을 여전히 "본다". E2는 도 44와 관련하여 전술한 E와 비교하여 크기가 유사하거나 크거나 작을 수 있다. 따라서, 도 43과 관련하여 전술한 모니터 디바이스(430)와는 달리, 장벽(438)은 생략되지만, 그럼에도 불구하고 모니터 원자는 기판(62) 내로 확산되기 전에 장벽을 극복한다. 장벽(E2)은 전기 에너지, 예를 들어, 전류 또는 전압 펄스를 수신하였을 때 모니터 원자에 의해 극복될 수 있으며, 이것은 도 43에 관련하여 전술한 바와 유사한 방식으로, 저장소(434) 아래의 모니터 영역의 주울 가열을 초래한다. 에너지 장벽(E2)을 극복한 모니터 원자는 이제 전술한 다양한 실시예와 실질적으로 유사한 방식으로 기판(62) 내로 더 확산할 수 있다.
도 46은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 내 모니터 원자에 의해 "보여지는" 잠재적 장벽을 도시하는 2차원 에너지-공간 다이어그램(460)을 도시한다. 특히, 에너지-공간 다이어그램(460)에 의해 도시된 마모 모니터 디바이스는, 도시된 마모 모니터 디바이스가 추가로, 도 43과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스와 유사하게, 장벽(438)을 포함하는 것을 제외하고는, 에너지-공간 다이어그램(450)(도 45)과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스와 유사하다. 에너지-공간 다이어그램(450)과 유사하게, 저장소(434)(좌측)의 에너지 레벨은 기판(62)(우측)의 에너지 레벨보다 낮고, 장벽(438)은 저장소(434) 내에 형성된다. 이러한 것은 예를 들어, 저장소(434)가 기판과는 상이한 물질, 예를 들어 모니터 원자가 함침된 전극 금속 또는 모니터 원자, 예를 들어, 금으로 형성된 전극으로 형성되고, 장벽(438) 저장소(434) 내에 형성될 때의 경우일 수 있다. 결과적으로, 저장소(434)는 장벽(438)에 의해 제1(좌측) 영역과 제2(우측) 영역으로 분할된다. 이들 실시예에서, 장벽(438)이 예를 들어 전기 펄스를 통해 주울 가열에 의해 낮추어지거나 제거될 때, 마모 모니터 디바이스는 도 43 및 도 44a/도 44b와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 초기화된다. 그러나, 모니터 원자는 저장소(434)와 기판(62) 사이의 에너지 레벨에서 차이(E2)로 표현되는 장벽을 여전히 "본다". 따라서, 도 43 및 도 44a/도 44b와 관련하여 전술한 바와 유사한 방식으로 장벽(438)을 낮추거나 제거함으로써 초기화되는 것에 더하여 그리고 이에 이어, 모니터 원자는 추가로 도 45와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 기판(62) 내로 더 확산되기 전에 제2 장벽(E2)을 극복한다.
도 47은 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(470)의 예시이다. 특히, 모니터 디바이스(470)는 도 45에 도시된 에너지-공간 다이어그램에 따라 배열된 모니터 원자를 포함하며, 저장소 내의 모니터 원자의 에너지 레벨은 기판 내의 모니터 원자의 에너지 레벨보다 실질적으로 낮다. 모니터 디바이스(470)의 다양한 구조는 도 40과 관련하여 전술한 모니터 디바이스의 구조들과 유사하게 배열된다. 예를 들어, 모니터 디바이스(470)는 격리 영역(401a), 예를 들어, 일측 또는 양측에 형성된 샐로우 트렌치 격리 영역, 및 마모 모니터 디바이스(470)의 활성 영역 밑에 측방으로 연장되는 매립 산화물(BOX) 층(401b)일 수 있는 매립층(401b)에 의해 측방으로 격리된다. 마모 모니터 디바이스(470)는 수직으로 매립 산화물층(401b) 위에 그리고 격리 영역(401a) 사이에서 측방으로 연장되는 매립층(NBLY) 영역(462)을 추가로 포함한다. 마모 모니터 디바이스(400)는 반도체 기판(450) 내에 형성된 제1 도핑 영역(458)을 추가로 포함한다. 기판(450), 매립층 영역(462), 및 제1 도핑 영역은 일부 실시예에 따라 동일한 도펀트 유형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 기판(450)은 n-형 도펀트 또는 p-형 도펀트일 수 있는 제1 도펀트 유형으로 제1 농도로 도핑될 수 있다. 제1 도핑 영역(458)은 기판(450)에 비해 보다 높은 농도로 제1 도펀트 유형으로 도핑될 수 있다. 유사하게, 매립층 영역(458)은 기판(450)에 비해 더 높은 농도로 제1 도펀트 유형으로 도핑될 수 있다. 도시된 실시예에서, 기판(450), 제1 도핑 영역(458) 및 매립층 영역(462) 각각은 n-형 도펀트로 도핑된다. 마모 모니터 디바이스(400)는 제1 고농도 도핑 영역(454a), 예컨대 고농도로 도핑된 n-도핑된(n+) 영역 및 제2 고농도 도핑 영역(454b), 예컨대 고농도로 도핑된 p-도핑된(p+) 영역을 포함한다. 다양한 도핑 농도의 상세한 상대 도핑 농도 및 처리 방법은 도 40과 관련하여 전술한 것과 유사할 수 있고, 이들의 상세한 설명은 생략한다.
여전히 도 47을 참조하면, 마모 모니터 디바이스(470)는 유전체층(463) 내 개구를 통해, 각각, 제1 고농도 도핑 영역(454a) 위에 및 제2 고농도 영역(454b) 위에 형성된 제1 전극(408a) 및 제2 전극(408b)을 추가로 포함한다. 제1 및 제2 전극(408a, 408b) 중 하나 또는 둘 다는 도 45에 도시된 에너지-공간 다이어그램에 따라 배열된 모니터 원자를 포함하거나 또는 이로부터 형성된, 도 43과 관련하여 전술한 저장소(434)와 유사한 모니터 원자의 저장소로서 역할을 한다. 즉, 제1 전극(408a) 및 제2 전극(408b) 중 하나 또는 모두는, 저장소 내의 모니터 원자의 에너지 레벨이 기판 내의 모니터 원자의 에너지 레벨보다 실질적으로 낮도록 배열된다.
따라서, 구성된 바와 같이, 마모 모니터 디바이스(470)는 기판의 표면 상에 배치된 모니터 원자(즉, 제 1 및/또는 제2 전극(408a, 408b))의 하나 이상의 저장소 및 기판(450) 내에 형성된 모니터 영역(예를 들어, 제2 고농도 도핑 영역(454b) 아래에 형성된 공핍 영역)을 갖는다. 저장소 및 기판 내의 모니터 원자의 상대적 에너지 레벨은, 도 45에 관련하여 전술한 바와 같은 에너지 장벽(E2)을 극복하였을 때, 기판의 반도체 물질 내 모니터 원자가 도 40에 관련하여 전술한 바와 같이 기판의 모니터 영역으로 더 확산하게 한다. 즉, 마모 모니터 디바이스가 소정의 지속시간 동안 한 세트의 소정의 스트레스 조건을 받을 때, 모니터 원자의 일부는 모니터 영역 내로 확산하고, 모니터 영역은 기판 내의 영역, 예를 들어, 전술한 PN 접합에 의해 형성된 공핑 영역을 포함할 수 있다. 측정될 수 있는 모니터 영역의 다양한 전기적 특성이 도 40과 관련하여 상술되었고, 여기서는 생략한다.
도 48은 몇몇 다른 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(480)의 예시이다. 특히, 모니터 디바이스(480)는 도 44a/도 44b 또는 도 46에 도시된 에너지-공간 다이어그램에 따라 배열된 모니터 원자를 포함하며, 장벽(438)은 저장소와 저장소와 기판의 에너지 레벨보다 높은 에너지 장벽을 갖는 기판 사이에 존재한다. 저장소 내의 모니터 원자의 에너지 레벨은 기판 내의 모니터 원자의 에너지 레벨와 비교하여 실질적으로 유사하거나(도 44a, 도 44b) 또는 실질적으로 낮을 수 있다(도 46). 모니터 디바이스(480)의 다양한 구조는 장벽(438)의 존재를 제외하고는 도 47과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(470)와 유사하게 배열되며, 이의 설명은 여기에서는 생략된다. 또한, 장벽(438)의 물리적 및 에너지 구성 뿐만 아니라 다양한 물리적 특성이 도 43, 도 44a/도 44b 및 도 46에 관련하여 위에서 기술되었으며, 여기서는 생략된다.
도 49a-도 49f는 일부 다른 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(490)의 전기적 응답을 도시한다. 도 49a는 도 47에 관련하여 도시된 마모 모니터 디바이스(470)에서와 유사한 방식으로 배열된 모니터 원자를 포함하는 모니터 디바이스(490)의 구조의 단면도를 도시하며, 복수의 저장소(438) 내의 모니터 원자의 에너지 레벨은 기판 내의 모니터 원자의 에너지 레벨보다 실질적으로 낮아, 마모 모니터(490)가 복수의 저장소(438)에 전기 펄스의 인가시 활성화된다. 모니터 디바이스(490)의 다양한 구조의 배열은 마모 모니터 디바이스(490)가 제1 전극(408a)으로서 구성된 복수의 저장소를 포함하는 것을 제외하고는 도 47에 관련하여 위에서 설명된 마모 모니터 디바이스(470)와 실질적으로 유사하다. 도 49b는 저장소(438)에 인가될 수있는 예시적 전기 펄스(492)를 도시한다. 도시된 실시예에서, 제1 전극(408a)으로서 구성된 저장소(438)는 n-도핑된 영역, 예를 들어, n-도핑된 에피택셜 영역 내에 형성된 p-도핑된 영역, 예를 들어, 고농도 도핑된 p+ 영역과 접촉하며, 인가된 전기적 펄스는 p-도핑된 영역과 n-도핑된 영역에 의해 형성된 PN 접합이 순방향 바이어스 되도록 제1 전극(408a)과 제2 전극(408b) 사이에 인가되는 양의 전압이다. 도 49c는 도 49b에 도시된 전기 펄스에 기인한 시뮬레이트된 전류 밀도 분포(490c)의 단면도이고; 도 49d는 주울 가열로 인한 시뮬레이트된 열 분포(490d)의 단면도이고; 도 49e는 도 49b에 도시된 전기 펄스에 기인한 시뮬레이트된 충격 이온화 분포(490e)의 단면도이고; 도 49f는 도 49b에 도시된 전기 펄스에 기인한 시뮬레이트된 전위 그레디언트 분포(490f)의 단면도이다. 도 49c-도 49f와 관련하여 도시된 다양한 시뮬레이션에 대하여, 도 49a의 마모 모니터 디바이스(490)의 n-도핑 영역 내에 형성된 고농도 도핑된 p+ 영역에 의해 형성된 PN 접합은, 제1 전극(408a)과 제2 전극(408b) 사이의 약 20V의 명목상 전압에서 약 100ns의 명목상 펄스폭을 갖는 도 49b와 관련하여 도시된 전압 펄스 하에서, 도 49b에 도시된 바와 같이, PN 접합이 순방향 바이어스 되고 약 1x103A/cm2를 초과하는 피크 전류 밀도가 달성되어, 이에 따라 도 49d에 도시된 바와 같이, 약 420K(또는 약 147℃)를 초과하는 피크 온도를 유도하게 구성된다.
도 43-도 49와 관련하여 위에서, 모니터 구조가 원자 확산에 기초하여 마모 모니터로서 기능하기 전에 초기화되도록 구성되는, 모니터 구조를 갖는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예가 설명된다. 다양한 응용을 위해, 각각의 모니터 디바이스가 저장소를 포함하고, 후술하는 바와 같이 장벽을 포함할 수도 있는 복수의 모니터 구조를 마모 모니터 디바이스가 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
도 50a는 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(500)의 단면도를 도시하는데, 마모 모니터 디바이스(500)는 복수의 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)을 포함한다. 모니터 구조(D1, D2,..., Dn) 각각은 도 43-도 49와 관련하여 전술한 실시예 중 임의의 것에 따른 저장소(434)를 포함하고, 도 43, 도 44a/도 44b, 도 46 및 도 48와 관련하여 전술한 실시예들 중 임의의 것에 따른 장벽(438)을 포함할 수도 있다. 도시된 실시예에서, 각각의 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)는 명목상으로 동일한 구조를 가지며 명목상으로 동일한 간격으로 분리된다. 이러한 구성은, 예를 들어, 다른 이점들 중에서도, 보다 상세하게 후술하는 바와 같이, 마모-스트레스의 공간적 프로파일을 얻고, 마모 스트레스의 시간-전개를 얻고 및/또는 상이한 시간 및/또는 조건에서 마모 모니터 디바이스의 상이한 영역을 초기화하는데 있어 이점이 있을 수 있다. 그러나, 실시예는 도 51에 도시된 바와 같이 그와 같이 제한되지 않는다.
도 50b는 마모 모니터 디바이스에 전기적으로 연결되고 전기 자극을 공급하도록 구성된 전류 공급 트랜지스터(504)를 갖는 제어 회로의 예시적 구현을 도시한다. 특히, 전류 공급 트랜지스터는, 도 49c 및 도 49d와 관련하여 위에 도시된 바와 같이, 도 49b에 도시된 실시예에 따라, 약 1x103 A/cm2, 약 1x104A/cm2 또는 약 1x105A/cm2를 초과하는 피크 전류 밀도가 달성될 수 있어 이에 따라 약 420K(또는 약 147℃), 470K(또는 약 197℃) 또는 약 520K(또는 약 247℃)의 피크 온도를 유도하게 충분히 큰 트랜지스터이다.
도 51a는 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(510A)의 단면도(상측 도면) 및 평면도(하측 도면)를 도시한다. 도시된 실시예에서, 마모 모니터 디바이스(510A)는 복수의 상이한 모니터 구조(G, F, D, E)를 포함한다. 도 50와 관련하여 전술한 마모 모니터 장치(500)와 유사하게, 모니터 구조(G, F, D, E) 각각은 도 43-도 49와 관련하여 전술한 실시예들 중 임의의 것에 따른 저장소(434)를 포함하고, 도 43, 도 44a/도 44b, 도 46 및 도 48와 관련하여 전술한 실시예 중 임의의 것에 따른 장벽(438)을 포함할 수도 있다. 그러나, 도시된 실시예에서, 마모 모니터 디바이스(500)와는 달리, 모니터 구조(G, F, D, E) 각각은, 저장소 및/또는 장벽을 포함하는 하나 이상의 구조에 관하여, 이들의 물질 조성, 치수 및/또는 측방 구성을 포함하여, 모니터 구조의 인접한 것과 비교하여 상이하게 구성된다. 마모-스트레스의 공간-프로파일을 얻는 것 외에도, 마모-스트레스의 시간-전개를 얻고, 및/또는 상이한 시간 및/또는 조건에서 마모 모니터 디바이스의 상이한 영역을 초기화하는 것에 있어서, 마모 모니터 디바이스(510A)의 구성은 다른 이점들 중에서도, 상이한 영역에서 상이한 확산 속도를 얻는데 있어 더욱 이점이 있을 수 있다.
도 51b는 일부 다른 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(510B)의 단면도를 도시한다. 마모 모니터 디바이스(510B)는 각각이 상이하게 배열된 장벽을 갖는 복수의 상이한 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)를 포함한다. 특히, 상이한 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)는 상이한 모니터 구조가 상이한 전기 자극, 예컨대, 상이한 전압 펄스 하에서 초기화되게, 각각 두께 H1, H2,..., Hn을 갖는 장벽을 가질 수 있다. 또한, 상이한 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)는 저장소가 모니터 원자를 포함하는 매트릭스로 형성될 때 모니터 원자를 포함하는 상이한 모니터 원자 및/또는 상이한 매트릭스 물질을 포함할 수 있다.
도 52는 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(520)의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스 (520)는 복수의 행, 예를 들면, 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)를 포함하는 제1 행(R1) 및 모니터 구조(D4, D5,..., Dm)를 포함하는 제2 행(R2)을 갖는 어레이를 포함한다. 어레이는 모니터 구조(D1, D4,..., Di)를 포함하는 제1 열(C1) 및 모니터 구조(D2, D5,..., Dj)를 포함하는 제2 열(C2)을 포함할 수 있다. 모니터 구조(D1, D2,... Dn 및 Dn, D4, D5,... Dm)는 도 51에 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 명목상으로 동일할 수 있고, 혹은 도 52에 관련하여 전술한 바와 같이, 명목상으로 상이할 수 있다. 도시된 실시예에서, 모니터 구조는 복수의 행(R1, R2,...) 및/또는 열(C1, C2,...)을 갖는 규칙적인 어레이로 전기적으로 연결되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 전기적 연결은 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)를 포함하는 각각의 행이, 예를 들어, 초기화를 위해, 병렬로 및/또는 동시에 전기적으로 액세스될 수 있게 할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 전기적 연결은 각각의 이산 모니터 구조가 적절한 행 및 열에 적절한 전기 신호를 인가함으로써 "비트-어드레스가능한" 방식으로 개별적으로, 예를 들어 초기화를 위해, 전기적으로 액세스될 수 있게 할 수 있다. 어레이 구성은, 예를 들어, 다른 이점들 중에서도, 이후에 더욱 설명되는 바와 같이, 마모 스트레스의 공간적 프로파일을 얻고, 마모 스트레스의 시간적 및/또는 공간적 전개를 얻고 및/또는 상이한 시간 및/또는 조건에서 마모 모니터 디바이스의 상이한 영역을 초기화하는데 있어 유리할 수 있다.
도 53은 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(530)의 평면도를 도시하며, 마모 모니터 디바이스(530)는 실시예에 따라 기준점 또는 중심 위치로부터 상이한 반경 방사상 거리에 배치된 복수의 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)를 갖는 어레이를 포함한다. 도 52와 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(520)와 유사하게, 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)는 도 51와 관련하여 전술한 바와 같이, 명목상으로 동일할 수 있고, 또는 도 52와 관련하여 전술한 바와 같이, 명목상으로 상이할 수 있다. 도 52와는 달리, 그러나, 행 및/또는 열을 갖도록 배열되는 대신에, 마모 모니터 디바이스(530)의 모니터 구조(D1, D2,..., Dn)는 모니터 구조가 중앙 위치 또는 열원일 수 있는 중앙 구조(H)에 대해, 각각 서로 다른 방사상 거리(r1, r2,...rn)을 갖는다. 어레이 구성은, 예를 들어, 다른 이점들 중에서도, 이후에 더욱 설명되는 바와 같이, 마모 스트레스의 공간적 프로파일, 예를 들어, 방사상 프로파일을 얻고, 마모 스트레스의 시간적 및/또는 공간적 전개를 얻고 및/또는 상이한 시간 및/또는 조건에서 마모 모니터 디바이스의 상이한 영역을 초기화하는데 있어 유리할 수 있다.
도 43-도 53와 관련하여 위에서, 모니터 구조가 수직 방향으로, 예를 들어, 기판 표면에 수직인 방향으로 그리고 기판 내로 원자 확산에 기초하여 마모 모니터로서 작용하기 전에 초기화되게 구성되는, 모니터 구조를 갖는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예가 설명된다. 다양한 응용을 위해서, 마모 모니터가 측방으로, 예를 들어, 기판 표면에 평행한 방향으로, 원자 확산에 기초하여 마모 모니터로서 기능하기 전에 초기화되게 구성되는 모니터 구조를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
도 54a 및 도 54b는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(540)의 단면도 및 평면도를 도시한다. 마모 모니터(540)는 실시예에 따라 측방으로 원자 확산에 기초하여 마모 모니터로서 작용하기 전에 초기화되도록 구성된다. 예를 들어, 도 43와 관련하여 전술한 모니터 디바이스와 달리, 모니터 디바이스(540)에서, 모니터 원자는 기판 표면을 따라 측방 방향인 확산의 순 방향을 갖는다. 도 54a 및 도 54b를 참조하면, 도시된 마모 모니터 디바이스(540)는 리세스 영역(546), 예를 들어, 원형 리세스 영역에 의해 둘러싸인 모니터 영역(544), 예를 들어, 원형 모니터 영역이 위에 형성된 기판(62)을 포함한다. 마모 모니터 디바이스(540)는, 리세스 영역(546) 내에 형성된, 모니터 영역(544)을 둘러싸는, 예를 들어, 원형으로 둘러싸는 저장소(434), 및 저장소(434)를 둘러싸는, 예를 들어, 원형으로 둘러싸는 장벽(438)를 포함한다. 모니터 영역 544)은 측방으로 확산하는 모니터 원자가 이의 수명 동안 코어 회로의 마모 표시를 제공할 수 있도록 적응된 측방 치수, 예를 들어, 직경(E)을 가질 수 있다. 리세스된 영역(546)은 저장소(434) 및 장벽(438)를 수용하게 한 깊이(F)를 갖는다. 측방 배치를 제외하고는, 물질, 모니터 영역(544)과, 장벽(438)과 저장소(434) 간의 에너지 관계, 장벽(438)의 생략 가능성, 및 모니터 영역(544)이 포함할 수 있는 다양한 반도체 도핑된 영역을 포함하는 다양한 다른 구성은 전술한 다양한 실시예와 실질적으로 유사하므로, 이들에 대한 상세한 설명은 여기에서 생략된다.
일부 실시예에서, 모니터 영역(544), 저장소(433) 및 장벽(438)은 영구 확산 장벽(548)에 의해 벌크 기판으로부터 분리될 수 있다. 반면 도시된 실시예는 모니터 영역(544), 장벽(438) 및 원형으로 동심의 영역으로서 구성된 저장소(434)를 포함한다. 그러나, 실시예에 따라 모니터 영역(544), 장벽(438) 및 저장소(434)가 측방으로 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하게 한 임의의 적절한 형상으로서 구성되는 다른 실시예가 가능하다.
도 55a-도 55c는 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된, 각각, 마모 모니터 디바이스(550A, 550B, 550C)의 평면도이다. 도 54a/도 54b와 관련하여 도시된 마모 모니터 디바이스(540)와 유사하게, 마모 모니터 디바이스(550A, 550B, 550C)는 실시예에 따라 측방으로 원자 확산에 기초한 마모 모니터로서 작용하기 전에 초기화되도록 구성된다. 그러나, 모니터 원자가 방사상 내측방으로, 예를 들어, 저장소로부터 중앙 위치에 형성된 모니터 영역을 향해 내측으로 확산하는, 도 54a/도 54b와 관련하여 위에서 도시된 모니터 디바이스와는 달리, 마모 모니터 디바이스(550A, 550B, 550C)에서, 모니터 원자는 반경 방사상 외측방으로, 예를 들어, 중앙 위치에 형성된 저장소로부터 외측 위치에 형성된 모니터 영역을 향하여 바깥으로 확산한다. 각각의 마모 모니터 디바이스(550A, 550B, 550C)는 하나 이상의 모니터 구조(550-1, 550-2, 550-3, 550-n)가 형성된 기판(62)을 포함한다. 4개의 모니터 구조가 도시되어 있지만, 도시된 4개의 모니터 구조와 유사한 방식으로 포함될 수 있는 하나 또는 임의의 적절한 수의 모니터 구조가 있을 수 있다.
하나 이상의 모니터 구조(550-1, 550-2, 550-3,... 550-n) 각각은, 예를 들어 원형 형상을 갖는 전용 또는 공유 저장소, 전용 또는 공유 저장소를 둘러싸는, 예를 들어, 원형 또는 고리 형상을 갖는 전용 또는 공유 장벽, 및 방사상 방향으로 확장하는 모니터 영역(532-1, 552-2, 552-3,..., 552-n) 각각을 포함한다. 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n) 각각은 장벽(438)과 교차하는 모니터 원자가 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n) 중 하나를 따라 방사상 방향으로 확산할 수 있도록 장벽(438)과 접촉하는 일 단부를 갖는다. 도시된 실시예에서, 각각의 하나 이상의 모니터 영역들(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n)은 모니터 원자가 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n) 각각에서 측방으로 바깥쪽으로 확산하게 기판 표면에 평행한 측방 방향으로 연장되는 스트립, 트랙 또는 채널 구조로서 형성된다.
실시예에 따라, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n)은 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n)의 서로 다른 것들이 상이한 레이트 및/또는 상이한 농도 프로파일로 모니터 원자를 확산시킬 수 있도록, 동일하거나 상이한 물질로 형성될 수 있고, 동일하거나 상이한 치수(예를 들어 길이)를 가질 수 있고, 혹은 동일하거나 상이한 구성을 가질 수 있다.
여전히 도 55a-도 55c를 참조하면, 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n) 각각은 모니터 영역 각각과 관련된 전기적 특성을 측정하기 위한 길이를 따라 형성된 길이 및 하나 이상의 측정 구조(554)를 갖는다. 예를 들어, 하나 이상의 측정 구조(554)는 모니터 영역 각각과 관련된 전기적 특성을 측정하기 위해, 예를 들어 콘택 또는 프로브를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 더 많은 측정 구조(554)의 이웃하는 것들은 일정 거리만큼 분리될 수 있다.
일부 실시예에서, 저장소(434), 장벽(438) 및 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-4)은 기판(62), 예를 들어 공통 평면 기판 상에 형성될 수 있다.
일부 다른 실시예에서, 적어도 저장소(434) 및 장벽(438)은 기판(62) 내 형성된 리세스 영역에 형성될 수 있다. 리세스 영역은, 예를 들어, 도 54a/도 54b에 관련하여 전술한 리세스 영역의 역일 수 있다. 예를 들어, 장벽(438)은 중심 위치에 형성된 리세스 영역의 측벽 상에, 예를 들어, 원형 리세스 영역의 측벽 상에 장벽 물질을 증착하고, 리세스 영역, 예를 들어 원형 리세스 영역에 저장소 물질을 피착함으로써 형성될 수 있다.
또한, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3, 552-n)은 예를 들어, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n)이 기판과는 상이한 물질로 형성될 때, 기판(62)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 먼저 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n)의 형상을 갖는 리세스 영역을 형성하고, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,,...552-4)의 물질로 리세스 영역을 채움으로써 형성된 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n).
하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n) 각각은 측방 치수, 예를 들어, 반사상으로 외측으로 확산하는 모니터 원자가 이의 수명 동안 코어 회로의 마모 표시를 제공할 수 있도록 한 길이를 갖는다. 저장소(434) 및 장벽(438)은 도 54a/도 54b와 관련하여 전술한 바와 같이, 리세스 영역 내에 저장소(434) 및/또는 장벽(438)을 수용하게 한 적합한 깊이(F)에 대응하는 두께를 가질 수 있다. 측방 배열을 제외하고, 물질, 모니터 영역(544)과, 장벽(438)과 저장소(434) 간의 상대적 에너지 레벨, 장벽(438)의 생략 가능성, 및 모니터 영역(544)이 포함할 수 있는 다양한 반도체 도핑된 영역을 포함하는 다양한 다른 구성은 전술한 다양한 실시예와 실질적으로 유사하므로, 이들에 대한 상세한 설명은 여기에서 생략된다.
동작에서, 전기 자극에 의해 장벽(438)과 관련된 에너지 장벽을 낮추거나 제거할 때, 전술한 바와 같이 마모 모니터 디바이스가 초기화된다. 초기화된 후에, 마모 스트레스에 응답하여, 모니터 원자는 저장소(434)로부터 층박으로 신장된 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n)으로 확산하기 시작한다. 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n) 각각의 길이 방향을 따라 간격을 두고 배치된 복수의 측정 구조(554)는 공간적으로 의존적인 전기적 표시, 예를 들면, 누설 전류를 제공할 수 있다. 공간적으로 의존적인 전기적 표시는 이번에는 전술한 모니터 원자의 확산의 시간-의존성에 기초하여, 코어 회로에 의해 경험되는 마모-스트레스의 시간적 이력을 제공할 수 있다.
도 55a의 모니터 디바이스(550A)를 참조하면, 일부 실시예에서, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n)은 공통 장벽(438)와 접촉하고 공통 저장소(434)로부터 모니터 원자가 공급되도록 구성된다. 구성된 바와 같이, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n) 각각의 길이 방향을 따라 간격을 두고 위치된 복수의 측정 구조(554)는 공간적으로 의존적인 전기적 표시를 상이한 방향으로 제공할 수 있고, 이에 따라 코어 회로에 의해 경험되는 마모 스트레스의 대응하는 시간적 이력을 제공할 수 있다.
도 55b의 모니터 디바이스(550B)를 참조하면, 일부 실시예에서, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n) 각각에 전용되는 개별적 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3, 438-B4)은 동일하다. 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3,... B-438-Bn)은 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3,... 438-Bn)을 변경하는 전기적 자극에 응하여 실질적으로 변경되지 않는 열적으로 견고한 분할에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 각각의 분리된 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3,..., 438-Bn)은 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n) 각각이 서로 독립적으로 초기화되도록 구성되게, 전기적 자극에 의해 독립적으로 수정되도록 구성된다. 따라서, 복수의 마모 표시는 사용자의 선호에 기초하여 상이한 시간에 초기화될 수 있다.
일부 실시예에서, 분리된 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3,... 438-Bn)은 동일하거나 상이한 물질로 형성될 수 있고, 동일하거나 상이한 치수(예를 들면, 두께)을 갖거나 아니면, 동일한 또는 상이한 전기적 자극에 응답하여 대응하여 변경되도록 구성도록 동일하거나 상이한 구성을 갖는다.
도 55c를 참조하면, 일부 실시예에서, 도 55b에 관련하여 전술한 바와 같이 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3, 552-n)에 대한 개별적 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3,... 438-B4) 외에도, 모니터 디바이스(550C)는 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,.., 552-n) 각각에 전용인 개별적 저장소(434-A1, 434-A2, 434-A3,... 434-An)를 추가로 포함할 수 있다. 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3,..., 438-Bn)은 도 55b와 관련하여 전술한 바와 같이 구성될 수 있다. 또한, 각각의 개별적 저장소(434-A1, 434-A2, 434-A3,... 434-A4)는, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n) 각각이 서로 독립적으로 초기화되고 모니터 원자가 독립적으로 공급되도록 구성되게, 장벽(438-B1, 438-B2, 438-B3,..., 438-Bn) 중 대응하는 하나가 전기적 자극에 의해 수정된 후에, 하나 이상의 모니터 영역(552-1, 552-2, 552-3,..., 552-n))에서 확산될 모니터 원자를 독립적으로 공급하도록 구성될 수있다. 따라서, 사용자의 선호도에 기초하여 상이한 시간에 초기화되는 것 외에도, 복수의 마모 표시는 독립적으로 모니터 원자가 공급될 수 있다.
일부 실시예에서, 개별적 저장소(434-A1, 434-A2, 434-A3,... 434-An)는 동일하거나 상이한 모니터 원자를 내포할 수 있고, 모니터 원자를 포함하는 동일하거나 상이한 매트릭스 물질을 내포할 수 있고, 동일하거나 상이한 치수(예를 들면, 볼륨)을 갖거나 아니면, 동일한 또는 상이한 모니터 원자를 하나 이상의 영역(552-1, 552-2, 552-3,... 552-n)의 각각에 공급하도록 구성되게, 동일한 또는 상이한 구성을 가질 수 있다.
따라서, 도 55c에 도시된 실시예에서, 저장소, 장벽 및 모니터 영역의 상이한 조합을 갖는 하나 이상의 모니터 구조(550-1, 550-2, 550-3,... 550-5n)의 서로 상이한 구조들은 상이한 유형, 다양한 강도 및/또는 마모 스트레스의 상이한 지속시간에 특히 민감하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 모니터 구조(550-1, 550-2, 550-3,... 550-5n) 각각은 상이한 온도 범위 및/또는 마모 스트레스의 상이한 지속시간에 적응될 수 있다.
도 55a-도 55c와 관련하여 전술한 실시예에서, 측방으로 원자 확산에 기초한 마모 모니터로서 작용하기 전에 초기화되도록 구성된 복수의 모니터 구조를 포함하는 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예가 설명된다. 특히, 도 55a-도 55c와 관련하여 전술한 실시예에서, 복수의 모니터 구조는 기판 상에 측방으로 배열된다. 다음에, 수직으로, 예를 들어 수직으로 적층된 구성으로 배열된 복수의 모니터 구조를 포함하는 마모 모니터 디바이스의 실시예가 설명된다. 이들 실시예에 따른 모니터 구조는 보다 콤팩트한 풋프린트를 점유할 수 있고 모니터 디바이스 내의 상이한 깊이에 마모 스트레스의 표시를 제공할 수 있다. 도 55a-도 55c와 관련하여 전술한 실시예와 유사하게, 이들 실시예는 동일하거나 상이한 장벽, 모니터 원자의 동일하거나 상이한 저장소 및/또는 동일하거나 상이한 모니터 영역을 가질 수 있다.
도 56a는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(560A)의 단면도를 도시한다. 도 55a-도 55c과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(550A, 550B, 550C)와 유사하게, 마모 모니터(560A)는 실시예에 따라 측방으로 원자 확산에 기초한 마모 모니터로서 작용하기 전에 초기화되도록 구성된다. 그러나, 모니터 구조가 기판 상에 측방으로 배열되는 도 55a-도 55c와 관련하여 상술된 모니터 디바이스와 달리, 모니터 디바이스(560A)의 모니터 구조는 모니터 영역들(564-1, 564-2,..., 564-n)의 대응하는 것들을 포함하는 기판(62) 상에 형성된 복수의 모니터 구조(562-1, 562-2,... 562-n)를 포함한다. 모니터 영역(564-1, 564-2,... 564-n)은 장벽(468)에 의해 저장소(464)로부터 분리된다. 복수의 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n) 각각은, 장벽(438)을 가로지르는 모니터 원자가 길이 방향을 따라 방사상 방향으로 저장소(434)로부터 멀리 확산할 수 있도록 신장되고 방사상 방향으로 연장하여 장벽(438)과 접촉하는 일 단부를 갖는다. 또한, 기판(64)은 모니터 영역으로서도 기능할 수 있게 저장소(434)로부터 분리된다. 도시된 실시예에서, 하나 이상의 모니터 영역(564-1, 564-2,..., 564-n) 각각은 모니터 원자가 하나 이상의 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)의 각각에서 측방으로 외측으로 확산하도록 기판 표면에 평행한 측방으로 연장되는 스트립, 트랙 또는 채널 구조로서 형성된다
여전히 도 56a을 참조하면, 도 55a-도 55c에 관련하여 도시된 실시예와 유사하게, 일부 실시예에서, 모니터 디바이스(560A)는 동일하거나 상이한 물질로 형성되고, 동일하거나 상이한 치수(예를 들어, 길이)를 갖거나 아니면 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)의 서로 상이한 것들이 상이한 레이트 및/또는 상이한 농도 프로파일로 모니터 원자를 확산하도록 동일하거나 상이한 구성을 갖는 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)을 갖는다. 그러나, 실시예는 이와 같이 제한되지 않으며, 다른 실시예에서, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)은 실질적으로 동일하게 되도록 구성된다.
도 56b는 저장소(434)에 그리고 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)에의 전기적 연결을 포함하는, 도 56a의 마모 모니터 디바이스(560A)와 유사한 마모 모니터 디바이스(560B)의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 마모 모니터 디바이스(560A)는, 이하 더 상세히 기술되는 바와 같이, 예를 들면 콘택을 통해, 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)을 예를 들어 제어 회로 및/또는 감지 회로를 포함하는 다양한 회로에 전기적으로 연결하는 복수의 전기적 콘택(566-1, 566-2,... 566-n)을 포함한다. 또한, 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 저장소(434) 및 기판(64)을, 예를 들면 콘택을 통해, 예를 들어, 제어 회로 및/또는 감지 회로를 포함한 다양한 회로에 전기적으로 연결하는 복수의 전기적 콘택(566-(n+1), 566-(n+2),... 566-(n+m)).
도 56c의 등가 회로도(560C)를 참조하면, 마모 모니터 디바이스(560)의 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)의 영역 각각은 각각의 전기적 연결을 통해 저장소(434)와 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n) 각각 사이에 장벽(438)의 각각의 영역에 전기적인 자극을 개별적으로 인가하여, 그럼으로써 장벽(438)의 각각의 영역을 국부적으로 변경함으로써 초기화된다. 일단 초기화되면, 모니터 원자는 마모 스트레스에 응하여 저장소(434)로부터 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n) 각각에 확산되기 시작한다. 따라서, 구성된 바와 같이, 상이한 시간에 장벽(438)의 각각의 영역을 변경함으로써, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)의 서로 상이한 것들은 유리하게 사용자의 선호도에 따라 상이한 시간에 초기화될 수 있다. 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)이 동일한 물질로 형성되고 및/또는 아니면 모니터링 원자의 실질적으로 동일한 확산 속도를 갖게 구성된 실시예에서, 복수의 모니터링 런은 복수의 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)을 사용하여 수행될 수 있다. 또한, 도 56a에 도시된 바와 같이 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)을 서로 다른 길이를 갖게 구성함으로써, 상이한 모니터링 런은 시간의 상이한 지속시간 동안 수행될 수 있다. 또한, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)이 상이한 물질로 형성되고 및/또는 아니면 모니터 원자의 확산의 실질적으로 상이한 레이트를 갖게 구성된 경우, 상이한 마모 스트레스 또는 마모 스트레스의 레벨에 대해 최적화된 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)의 서로 상이한 것들은 사용자의 선호도에 따라 상이한 시간에 초기화될 수 있다. 예를 들어, 코어 회로가 상이한 시간에 실질적으로 상이한 레벨의 열 마모 스트레스를 경험하는 경우, 상대적으로 느리게 모니터 원자를 확산하게 구성되고 및/또는 더 긴 모니터 영역 길이를 갖는 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n) 중 하나에 인접하는 코어 회로는 코어 회로가 비교적 높은 레벨의 열 스트레스(예를 들어, 비교적 높은 온도 및/또는 비교적 긴 지속시간)에 노출될 때 변경될 수 있다. 한편, 상대적으로 신속하게 모니터 원자를 확산하게 구성되고 및/또는 더 짧은 길이를 갖는 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n) 중 하나에 인접하는 장벽 영역은 코어 회로가 비교적 낮은 레벨의 열 스트레스(예를 들어, 비교적 낮은 온도 및/또는 비교적 짧은 지속시간)에 노출될 때 변경될 수 있다. 예로서, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)의 서로 다른 것들은 상이한 조성을 갖는 물질 AxBy로 형성되거나 포함할 수 있으며, A 및 B는 비례적으로 모니터 원자의 확산 속도를 변경하게 혼합될 수 있는 원소이다. 예를 들어, A는 Si와 같은 기판 물질일 수 있고, B는 몇가지를 나열하면, Ge, C, Sn, O 및 N일 수 있다.
초기화되고 마모 스트레스를 받은 후에, 저장소(434)로부터 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)으로 모니터 원자의 확산에 기인한 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)의 전기적 특성에 변화는 복수의 전기 콘택(566-1, 566-2,... 566-n)를 통해, 예를 들어 적절한 감지 회로를 이용하여 측정될 수 있다. 도 56d는 도 56b의 마모 모니터 디바이스(560B)에 전기적으로 연결된 감지 회로(568)를 가지며 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)의 전기적 특성에 변화를 측정하게 구성된 마모 모니터 디바이스(560D)의 일 실시예를 도시한다. 도시된 예에서, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)은 차동 증폭기를 포함하고 구성된 차동 측정 회로(568)에 전기적으로 연결되고, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)의 서로 상이한 것들로부터 측정된 전기적 특성에 차이에 기초하여, 상이한 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)에 의해 수신된 상대적 마모 스트레스의 결정이 결정될 수 있다. 차동 측정 회로(568)은, 전술한 마모 디바이스(560)의 다양한 구성들로부터 발생하는 다른 파라미터들 중에서도, 모니터 원자, 저장소 조성, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)의 조성, 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)의 형상 및 치수, 장벽 물질 및 초기화 시간 중 임의의 하나를 가변시켜 발생할 수 있는, 모니터 영역(562-1, 566-2,... 562-n) 중 임의의 둘 이상 간에 전기적 특성에 차이를 측정할 수 있다. 결과적인 전기적 측정은 전술한 전기적 특성들 예를 들어 저항률, 누설 전류, 커패시턴스, 등 중 임의의 하나를 포함할 수 있다.
도 56e를 참조하면, 일부 다른 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스(560E)의 단면도가 도시되었다. 마모 모니터 디바이스(560D)는, 마모 모니터 디바이스(560D)가 저장소에 공통으로 연결된 모니터 영역의 2개의 세트(568-1, 568-2)를 갖는 것을 제외하고, 도 56a/도 56b에 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(560A/560B)와 유사하다. 두 측 상에 모니터 영역은 장벽과 모니터 영역을 포함하여 같거나 다르게 되도록 구성할 수 있다.
도 56a/도 56b의 도시된 실시예에서, 모니터 영역(562-1, 562-2, 562-n) 중 하나가 공통 장벽(438)을 통해 공통 저장소(434)에 연결되지만, 실시예는 그외 같이 제한되지 않는다. 예를 들어, 도시되지는 않았지만, 다른 실시예에서, 개별적인 및/또는 전용의 장벽(438-B1, 438-B2,... 438-Bn) 및/또는 개별적인 및/또는 전용의 저장소(434-A1, 434-A2,.., 434-An)는 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n) 각각에 연결될 수 있다. 따라서, 도 55c의 실시예와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로, 동일한 또는 상이한 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)을 갖도록 구성가능할 뿐만 아니라, 모니터 디바이스(560)는 상이한 레벨의 전기적 자극에 응답하여 변경되는 장벽(438-B1, 438-B2,..., 438-Bn) 및/또는 모니터 원자의 상이한 유형 및/또는 농도 및/또는 모니터 원자가 함유된 상이한 매트릭스 또는 매질을 갖는 저장소(434-A1, 434-A2,... 434-An)를 갖도록 추가으로 구성될 수 있다.
따라서, 도 56a/도 56b의 도시된 실시예에서, 전술한 실시예와 유사한 방식으로, 저장소, 장벽 및 모니터 영역의 상이한 조합은 마모 스트레스의 상이한 유형, 상이한 크기 및/또는 상이한 지속시간에 특히 민감하게 되도록 구성될 수 있다.
도 43-도 56b와 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스의 제어된 초기화 또는 활성화는 반도체 패키징과 관련하여 이식될 수 있다. 와이어 본딩 기술은 집적 회로를 외부에 상호연결하는 데 널리 사용된다. 다음에서, 와이어 본딩의 맥락에서 마모 모니터 디바이스의 제어된 초기화 구현이 설명한다.
도 57은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(570)를 도시한 것이다. 특히, 마모 모니터 디바이스(570)는 통합된 금속화 레벨을 포함하는 집적 회로(IC)일 수 있는 기판(64)을 포함한다. 마모 모니터 디바이스(570)는 기판(64)에 형성된 하나 이상의 모니터 영역(D1, D2,... Dn)을 포함한다. 하나 이상의 모니터 영역(D1, D2,... Dn)은, 일부 실시예에서, IC의 반도체 물질 내 혹은 이 위에, 예를 들어, 직접 내 혹은 위에 형성되거나, 또는 다른 실시예에서 IC의 금속화 레벨 위에 형성될 수 있다. 마모 모니터 디바이스(570)는 하나 이상의 모니터 영역(D1, D2,..., Dn) 상에 형성된 하나 이상의 장벽(438), 및 저장소(434)로서 작용하게 하나 이상의 장벽(438) 상에 형성된 하나 이상의 와이어 본드(572)를 추가로 포함한다. 하나 이상의 장벽(438)은 전술한 다양한 실시예와 유사한 방식으로 형성되고 구성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 와이어 본드는 전술한 다양한 실시예와 유사하고 와이어 본딩 기술과 호환가능한 방식으로 형성되고 구성될 수 있다. 모니터 디바이스(570)에서, 유리하게, 와이어 본드 자체는 모니터 원자를 포함하고 따라서 저장소(434)로서 작용한다. 금, 은, 구리 및 백금과 같은 요소는 예를 들어 IC에 전기적 연결을 제공할 뿐만 아니라 모니터 원자로서 기능할 수 있다.
동작에서, 마모 스트레스에 응하여 모니터 영역(D1, D2,..., Dn) 각각에 모니터 원자의 확산을 초기화하기 위해 전술한 임의의 방식으로 장벽(438)이 변경될 수 있다. 이어서, 모니터 원자가 모니터 영역(D1, D2,... Dn)의 각각에 확산될 때 및/또는 각각의 모니터 영역의 원자가 각각의 와이어 본드 내로 확산될 때, 와이어본드-배리어- 모니터 영역에 걸친 저항. 임의의 이론에도 구애받지 않고, 저항의 변화를 야기할 수 있는 하나의 메카니즘은 시간에 따라 원자 베이컨시 및 보이드의 형성을 야기하는 원자의 상호확산과 관련된 커켄들 효과로서 알려진 현상으로부터 기인할 수 있다.
도 58은 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스(580)를 도시한 것이다. 모니터 디바이스(580)는 저장소(438)로서 작용하는 하나 이상의 와이어 본드(582-1, 582-2,... 582-n)의 서로 상이한 것들이 몇가지를 나열하면 금, 은, 구리 및 백금과 같은 상이한 모니터 원자로 형성되거나 또는 포함하는 것을 제외하고, 도 57과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(570)와 유사하다. 도 57과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(570)와 유사한 마모 모니터 디바이스(580)의 다른 특징의 설명은 여기에선 생략된다. 따라서, 도 58의 도시된 실시예에서, 전술한 다양한 실시예와 유사한 방식으로, 저장소, 장벽 및 모니터 영역의 상이한 조합은 상이한 유형, 상이한 크기 및/또는 마모 스트레스의 상이한 지속시간에 특히 민감하게 되도록 구성될 수 있다.
도 59는 시스템(590), 예를 들면, 복수의 마모 모니터 디바이스(592A, 592B, 592C)를 포함하는 패키지-레벨 또는 보드-레벨 통합 시스템의 단면도이며, 각각의 마모 모니터 장치는 실시예에 따라 마모 모니터 장치 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 시스템(590)은 임베디드 시스템이며, 다양한 성분이 제조 프로세스 동안 기판(예를 들어, PCB 기판)의 층 내에 임베드된다. 특히, 단면도는 기판의 각 층 내에 임베드된 복수의 마모 모니터 디바이스(592A, 592B, 592C)를 도시하며, 각 모니터 디바이스는 다른 것들 중에서도, 시스템(590) 내에 온도 변동 및/또는 상이한 층들(또는 특정 성분 다음에/인접한)의 임무 프로파일을 모니터하게 구성될 수 있다.
여전히 도 59를 참조하면, 마모 모니터 디바이스(592A, 592B, 592C)는 상이한 시간에 상이한 상이한 마모 스트레스를 모니터하고 및/또는 마모 스트레스를 모니터링하기 위해 상이하게 구성된 다양한 특징을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 마모 모니터 디바이스는 실시예에 따라, 보호될 코어 회로를 포함하는 다른 수동/이산 성분 및/또는 마이크로프로세서와 함께 패키지-레벨 통합 시스템의 부분으로서 임베드되거나 통합될 수 있다. 또한, 마모 모니터 디바이스는 실시예에 따라, 수정가능할 수 있도 있을(예를 들어, 블로우되거나 전기적으로 수정될 수도 있을 퓨즈) 공조하는 ASIC 및 링크에 연결되거나 링크될 수 있다.
전술한 다양한 실시예에서, 장벽이 마모 모니터링을 초기화하기 위해 전기 자극에 의해 변경될 수 있는, 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된 마모 모니터 디바이스가 설명되었다. 그러나, 실시예는 그와 같이 제한되지 않으며, 다른 실시예에서, 장벽은 광학 에너지를 사용하여 변경될 수 있다. 도 60a는 시스템(600), 예를 들면, 복수의 마모 모니터 디바이스(602A, 602B)를 포함하는 패키지 레벨 또는 보드 레벨 통합 시스템의 단면도를 도시하며, 각각의 마모 모니터 디바이스는 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초한 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된다. 장벽이, 이것이 있을 때, 전기 자극, 예를 들어 전압 또는 전류 펄스에 응하여 이에 따라 마모 모니터 디바이스(600A, 600B)에서 장벽이 변경되게 하는 주울 가열에 의해 열을 발생할 수 있는, 마모 모니터 디바이스(600A, 600B)를 초기화하도록 변경되게 구성되는, 도 43-도 59와 관련하여 전술한 마모 모니터와는 달리, 장벽은 광학 에너지에 응하여 수정되도록 구성된다. 시스템(600)은 전술한 바와 같이 다른 성분, 예를 들어, 수동/능동 성분, ASIC, 등을 포함할 수 있다.
패키지 레벨 시스템(590)의 도시된 패키지는 유기 라미네이트-기반 패키지이다. 그러나, 실시예는 그와 같이 제한되지 않으며, 패키지는 또한 패키징된 성분을 보호하기 위해 세라믹 물질을 기반으로 할 수 있다. 도시된 바와 같이, 다양한 성분은 패키징 물질, 예를 들어 수분, 등에 대해 다양한 성분을 보호하기 위한 유기 라미네이트 물질에 의해 임베드되거나 덮일 수 있다. 마모 모니터에 장벽의 광학적 액세스를 가능하게 하기 위해, 일부 실시예에서, 광학적으로 투명한 개구 또는 애퍼처는 패시베이션층 및/또는 존재할 때 마모 디바이스(600A, 600B)의 절연 패키지를 통해 형성될 수 있다. 개구 또는 애퍼처는 일부 실시예에서 캡으로 실링될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 개구는 렌즈, 필터 또는 다른 광학 성분으로서 구성될 수 있는 광학적으로 능동의 캡을 포함할 수 있다. 존재할 때, 필터는 원하는 파장을 선택적으로 통과시킬 수 있고, 존재할 때, 렌즈는 국부적인 온도 증가를 일으키기 위해 광의 증가된 세기를 제공하기 위해 광을 집점시킬 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 캡은 마모 센서를 보호하도록 구성될 수도 있다.
여전히 도 60a를 참조하면, 일부 실시예에서, 장벽은 광의 광자에 의해 직접 변경되는 물질로 형성된다. 예를 들어, 장벽은 광자에 의해 변경될 수 있는 유기 물질, 예를 들면, 폴리머 물질로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 장벽은 간접적으로 광에 의해, 예를 들어, 광에 의해 발생된 열에 의해 변경되는 물질로 형성된다. 장벽을 변경할 수 있는 광 에너지 원은 광원, 예를 들면, 레이저, 발광 다이오드, 램프, 등을 포함하는 가시광, 적외선, 자외선 및 X-선 원일 수 있다.
도 60b는 내부에 통합된 복수의 마모 모니터 디바이스(612A, 612B)를 포함하는 시스템, 예를 들어 패키지 레벨 또는 보드 레벨 통합 시스템(610)의 단면도를 도시하며, 각각의 마모 모니터 디바이스는 본 실시예에 따라 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초한 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된다. 시스템(610)은 마모 모니터(602A, 602B)를 포함하는, 도 60과 관련하여 전술한 시스템(600)과 유사한 미리 제작된 시스템일 수 있다. 시스템(610)은 또 다른 시스템(614) 상에 장착되도록 구성될 수 있다. 실시예에서, 시스템(614)은 ASIC에서 구현될 수 있는 마모 모니터 디바이스(612A, 612B)를 제어하고 감지하기 위한 다양한 제어 및 감지 회로를 포함할 수 있다. 이점이 있게, 도시된 구성은 다양한 임베드 마모 모니터 디바이스(612A, 612B)를 포함하는 커스터마이즈된/사전에 제조된 시스템(610)이 시스템(610)의 다양한 활동을 공조하는 시스템(614)에 결합될 수 있게 한다.
상호확산에 기초한 마모 표시를 갖는 마모 모니터 디바이스
전술한 마모 모니터 디바이스의 다양한 실시예에서, 코어 회로의 마모 표시는 저장소로부터 모니터링 영역으로 모니터링 원자의 원자 확산 효과와 관련된 전기적 특성을 측정하는 것에 기초한다. 예를 들어, 저장소는 기판의 표면 상에 형성된 모니터 원자를 내포하는 층일 수 있다. 모니터링 영역은, 예를 들어, 모니터링 원자들에 대한 확산 매질로서 작용하는 기판 물질의 볼륨일 수 있다.
물질의 어떤 조합에 있어서, 제1 물질이 제2 물질과 접촉하여 있을 때, 제1 물질의 원자는 제2 물질로 확산되는 반면, 제2 물질의 원자는 제1 물질 내로 확산한다. 이 현상을 상호확산이라고 한다. 본원에 설명된 다양한 실시예에 따라, 모니터링 영역 및 모니터 원자의 저장소는 모니터 원자 및 모니터링 영역의 원자가 마모 스트레스에 응하여 상호확산하도록 구성된다. 이들 실시예에서, 저장소 내에 결과적인 조성 변화는 마모-스트레스의 측정가능한 전기적 특성을 야기할 수 있다. 따라서, 후술되는 실시예에서, 전술한 실시예와는 달리, 저장소는 모니터 영역으로서 간주될 수 있고, 기판은 디퓨전트 또는 모니터 원자 소스로서 간주될 수 있다.
도 61은 실시예에 따라, 원자의 상호확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시가 잉용될 수 있도록 마모 모니터 디바이스가 어떻게 구성될 수 있는지를 도시한다. 도 61은 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스 내에 국부화되는 모니터 원자의 원자 확산에 기초하여 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성된, 도 47과 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(470)를 도시한다. 전술한 바와 같이, 마모 모니터 디바이스(470)는 기판의 표면 상에 배치된 모니터 원자(즉, 제1 및/또는 제2 전극(408a, 408b))의 하나 이상의 저장소, 및 기판(450) 내 형성된 모니터 영역(예를 들어, 제2의 고농도 도핑 영역(454b) 아래에 형성된 공핑 영역)을 갖는다. 예를 들어, 도 42a에 관련하여 전술한 바와 같이, 코어 회로의 마모를 정량화하는 한 접근법은 상이한 시간에 마모 스트레스에 노출된 후에 PN 접합을 가로지르는 누설 전류, 예를 들어 역방향 바이어스 누설 전류를 측정하는 것이다. 따라서, 도 42a에 도시된 바와 같이, 마모 스트레스, 예컨대 열 스트레스 증가에 따라 증가하는 누설 전류는 코어 회로의 마모를 정량화하기 위해 사용될 수 있다.
주사 전자 마이크로스코프(SEM) 이미지(614)는 마모를 정량화하는 또 다른 접근법을 도시한다. SEM 이미지(614)는 도 42a와 관련하여 도시된 실험 데이터를 생성하기 위해사용되는 마모 스트레스를 받은 후, 금으로 형성된 저장소로서 작용하는 제1 극(408a)의 대표적인 이미지이다. SEM 이미지(614)에 도시된 바와 같이, 1-9일 동안 200℃에서 열 마모 스트레스를 받은 후에, 금의 저장소로서 작용하는 제1 전극(408a) 상에 이산화 실리콘의 형성은 상호확산이 발생했음을 나타낸다. 즉, 금 전극으로부터 실리콘 기판 내 PN 접합으로의 금 확산은 역방향 바이어스 전류의 증가를 야기하지만, 기판에서 금 전극으로의 실리콘의 확산은 금 전극의 표면에 도달한 실리콘 원자의 산화에 기인하는 산화실리콘의 형성이 이르게 한다.
도 62a는 실시예에 따라 원자의 상호확산에 기초한 전기적 서명이 이용될 수 있도록 구성된 마모 모니터 디바이스(620)의 단면도를 도시한다. 마모 모니터 디바이스(620)는 기판(64) 상에 하나 이상의 전극, 예컨대 제1 기준 전극(622) 및 제2 기준 전극(624)과, 저장소(434)를 형성하였다. 제1 및 제2 기준 전극(622, 624) 각각은 영구 확산 장벽(626)에 의해 기판(64)으로부터 분리된다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 기준 전극(622, 624) 및 저장소(434)는 초기에 모니터 원자를 포함하는 동일한 조성 및/또는 치수를 갖는다. 또한, 일부 실시예에서, 제1 및 제2 기준 전극(622, 624) 사이의 간격, 및 제2 기준 전극(624)과 저장소(434) 사이의 간격은 초기에는 동일한 치수를 갖는다.
동작에서, 도 61과 관련하여 상술된 바와 같이, 저장소(434) 및 기판(64)은, 마모 스트레스, 예컨대 열 스트레스 하에서, 모니터 원자가 기판 내로 확산하고 기판(64)의 원자가 저장소(434) 내로 확산하게 저장소(434) 내의 모니터 원자 및 기판(64)의 원자가 상호확산하도록 조성을 갖는다. 대조적으로, 영구 확산 장벽(626)의 존재는 제1 및 제2 기준 전극(622, 624)으로 및 이로부터 기판(64)으로부터 및 이에 확산을 방지한다. 기판(64)과 저장소(434) 사이의 상호확산은 저장소(434)의 화학적 조성의 변화를 초래하고, 이에 따라 저장소(434)의 전기적 특징에 변화로 이어지지만, 반면 제1 및 제2 기준 전극(622, 624)의 화학적 조성 및 전기적 특징은 상대적으로 변하지 않는채로 있는다. 변화할 수 있는 저장소(434)의 전기적 특징은 저장소(434)의 저항률, 및 저장소(434)와 다른 도전성 구조, 예를 들어 제2 기준 전극(624) 사이의 커패시턴스를 포함한다.
하나의 예시적 예로서, 저장소(434)가 금으로 형성되고 기판(64)이 실리콘으로 형성되었을 때, 기판(64) 내로 금이 확산하고, 반면 실리콘은 저장소(434) 내로 확산한다. 도 61에 관련하여 전술한 바와 같이, 본 발명자는 상호확산이 저장소(434), 저장소(434), 및/또는 저장소(434) 상의 실리콘 산화물(628)의 형성에 기인하여 구조적 변화를 초래함을 발견했다. 이에 따라 구조적 변화는 감지 회로를 사용하여 전기적으로 측정될 수 있는 저장소(434)의 전기적 특징에 변화로 이어진다.
도 62b는 실시예에 따라, 원자의 상호확산으로 인한 저장소(424)에 대한 구조적 수정과 관련된 전기적 서명을 검출하도록 구성된 감지 회로(629)에 전기적으로 연결된 도 62a에 도시된 마모 모니터 디바이스(620)의 확대도이다. 감지 회로(629)를 사용하여 마모 모니터 디바이스(620) 상에서 측정될 수 있는 코어 회로의 마모의 전기적 서명의 일례는 저장소(424)의 전기 저항율이다. 저장소(424)의 전기 저항율(424)은 저장소(424) 내의 실리콘 원자의 존재 및/또는 전술한 바와 같이 저장소(424) 상의 실리콘 산화물의 형성에 기인하여, 증가할 수 있다. 마모 모니터 디바이스(620) 상에서 측정될 수 있는 코어 회로의 마모의 또 다른 예시적 전기적 서명은 제1 플레이트로서 작용하는 저장소(434)와 커패시터의 제2 플레이트로서 작용하는 또 다른 도전성 구조 사이의 커패시턴스이다. 예를 들어, 제2 기준 전극(624)은 커패시턴스 값이 마모-스트레스, 예컨대 열 마모 스트레스에 노출로 변화할 수 있는 커패시터의 제2 플레이트로서 작용할 수 있다. 제2 기준 전극(624)과 저장소(434) 사이의 갭 내의 실리콘 산화물(628)의 두께가 증가함에 따라, 커패시턴스는 변화, 예를 들어 증가하는데, 이의 변화는 코어 회로가 노출되었던 총 마모 스트레스와 정량적으로 상관될 수 있다. 또한, 제1 기준 전극(622)이 포함되는 실시예에서, 제1 및 제2 기준 전극(622, 624) 사이의 커패시턴스는 제2 기준 전극(624)과 저장소(434) 사이의 커패시턴스의 변화에 비해 변화하지 않거나 현저히 덜 변하는 기준 커패시턴스로서 작용을 할 수 있다. 이점이 있게, 저장소(434) 내로 기판 원자의 확산으로 인한 전기적 특성의 변화 때문에, 마모 모니터 디바이스(624)는 기판(64)에 형성된 PN 접합와 같은 반도체 디바이스 구조에 의존하지 않는다.
또한, 도 63a-도 63d는 실시예에 따라 원자의 상호확산에 기초한 전기적 서명이 코어 회로의 마모를 측정하기 우해 이용될 수 있도록 구성된 마모 모니터 디바이스(630)의 단면도를 도시한다. 마모 모니터 디바이스(630)는 도 56a 및 도 56d와 관련하여 전술한 마모 모니터 디바이스(560)와 유사하게 구성되는데, 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)은 모니터 영역(562-1, 562-2,..., 562-n)의 전기적 특성, 예를 들어, 저장소(434)로 확산하는 벌크 기판(64)의 기판 원자로 인해 저장소(434)와 관련된 전기 저항 및/커패시턴스가 개별적으로 측정될 수 있게 구성된 도 56d에 관련하여 전술한 감지 회로(568)에 전기적으로 연결될 수 있다.
마모 모니터 디바이스(630)에서, 도 56a-도 56d에 관련하여 전술한 바와 같이, 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)에 연결되는 것 이외에 또는 대신에, 모니터 디바이스(630)는 저장소(434)에 연결되고 저항(도 63b) 및 커패시턴스(도 63c/도 63d)를 포함한, 저장소(434)로의 기판(64)의 원자의 확산에 의해 야기된 저장소(434)의 전기적 특성의 변화를 측정하도록 구성된다. 따라서, 도 56a-도 56d와 관련하여 전술한 감지 회로(568)와 달리, 도 63a-도 63d와 관련하여 도시된 감지 회로(632a-632c)는 모니터 영역(562-1, 562-2,... 562-n)에 전기 연결로 또는 없이 저장소(434)의 전기적 특성의 변화를 측정할 수 있어, 그럼으로써 코어 회로의 마모의 독립적인 표시를 제공할 수 있다.
또한, 도 63a-도 63c에 도시된 바와 같이, 저장소(434)의 전기적 특성, 예를 들어, 저장소(434)와 관련된 전기 저항 및/또는 커패시턴스의 변화는 저장소(434) 내로 확산하는 벌크 기판(64)의 기판 원자에 기인할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 저장소(434)의 전기적 특성에 변화는 저장소(434)의 표면 상에 형성된 시드 물질로부터 원자를 확산시킴으로써 야기될 수 있다.
도 63b는 저장소(434) 내로 기판(64)의 원자의 확산에 관련된 전기 저항의 변화를 측정하도록 구성된 감지 회로(632b)에 전기적으로 연결된 마모 모니터링 디바이스(630)를 도시한다. 도 63b에 관련하여 도시된 감지회로는, 예를 들어, 도 56a-도 56d에 관련하여 전술한 바와 같이, 예를 들어, 금으로, 혹은 저장소 434, 상에 실리콘 산화물의 성장으로 형성된 저장소(434) 내로 기판의 원자, 예컨대 실리콘의 확산에 연관된 저항 변화를 검출하기 위한, 아날로그-디지털 변환기(ADC)(635) 및 전류 서플라이(634)를 포함하는, 전압 변화 검출 회로를 포함한다.
도 63c는 저장소(434)의 표면 상의 산화물의 형성과 관련된 커패시턴스의 변화를 측정하도록 구성된 감지 회로(634)에 전기적으로 연결된 마모 모니터링 디바이스(630)를 도시한다. 도 63c와 관련하여 도시된 감지 회로(634)는 예를 들어, 저장소(434)에 직접 연결 대신에, 갭 전극(636)과 저장소(434)의 표면 사이에 초기에 기정의된 갭 간격을 갖는 갭 전극(636)을 포함한다. 도 63d를 참조하면, 도 56a-도 56d와 관련하여 전술한 바와 같이 마모 스트레스에 노출이 증가함에 따라 저장소의 표면 상에 산화물이 증가함에 따라, 갭 간격은 증가하는 산화물 두께에 비례하여 계속 감소한다. 갭 전극(636)과 저장소(434) 사이의 커패시턴스의 결과적인 변화는 마모 스트레스와 상관될 수 있다.
시간-분해 모니터링을 위해 구성된 마모 모니터 디바이스
위에 다양한 실시예와 관련하여 기술된 바와 같이, 모니터 영역의 어떤 위치에서 모니터 원자의 농도를 얻기 위해 모니터 영역의 누설 전류, 저항 또는 커패시턴스와 같은 전기적 특성이 사용될 수 있다. 이에 따라, 모니터 원자의 농도는 마모 스트레스의 통합 이력을 구축하기 위해 사용될 수 있는 확산 프로파일을 나타낼 수 있다. 또한, 도 64a에 도시된 바와 같이, 마모-스트레스를 받기 전 및 후에 모니터 원자의 초기 및 최종 농도 프로파일(640)에 기초하여, 온도 시간 플롯(642)에 의해 도시된 바와 같이, 마모-스트레스의 누적 이력, 예를 들어, 일정한 열 마모 스트레스와 관련된 정보가 얻어질 수 있다. 그러나, 다양한 응용에서, 도 64b와 관련하여 도시된 바와 같이, 코어 회로는, 온도-시간 플롯(646) 및 결과적인 농도 프로파일(644)에 의해 도시된 바와 같이, 시간에 따라 변화하는 코어 회로 상의 온도 스트레스와 같은 시간에 따라 크기가 변하는 마모 스트레스를 받을 수 있다. 이러한 응용에서, 시간-가변 마모 스트레스의 표시가 기록될 수 있도록 마모 모니터 디바이스를 구성하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 및 다른 필요들을 해결하기 위해, 다양한 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스는 마모 스트레스, 예컨대 열 마모 스트레스에 응답하여 모니터 영역에 확산 프로파일을 기록한 후, 마모 모니터 디바이스가 측방 방향으로 모니터 영역에 전계를 인가하도록 구성되게 구성된다. 모니터 영역에 확산된 모니터 원자는 확산된 모니터 원자를 갖는 모니터 영역에 전계가 인가될 때 전계가 모니터 원자로 하여금 측방 방향로 모니터 영역에서 더 확산되게 하도록 하는 전하 상태를 갖는다. 즉, 마모 스트레스로 인한 확산 프로파일은 컨베이어 벨트와 유사한 방식으로 측방으로 병진된다.
평균 온도를 측정하는 것은 디바이스의 동작 수명을 추정하는 데 유용하지만, 평균화 프로세스는 이의 본질상 온도 프로파일의 피크와 저점이 기록되지 않음을 의미한다. 더 높은 온도의 주기가 가장 큰 손상을 입히기 때문에 더 큰 그래뉼래러티를 갖는 디바이스의 온도 이력을 식별할 수 있는 것이 유익할 것이다. 도 65는 시간의 함수로서 변화하는 온도 프로파일을 나타내는 개략적인 그래프(650)이다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 예에서 온도는 180℃ 내지 약 30℃의 피크 사이에서 변하고, 시간에 따라 평균은 약 110℃에서 평균하여, 상이한 시간 t1, t2 및 t3에서 모니터 영역 내의 모니터 원자의 농도 프로파일(652)의 스냅샷을 되게 한다.
그러나, 라인 12으로 나타낸 바와 같이 이동 평균을 형성할 수 있었다면, 디바이스가 경험하는 온도 극치에 의해 야기되는 손상을 보다 정확하게 기록하는 것이 가능할 것이다. 이것은 손상을 입하는 높은 온도가 미치는 영향이 보다 정확하게 평가할 수 있게 할 것이다.
능동 회로에 의해 시간의 함수로서 온도를 메모리에 기록하는 것은 물론, 메모리 또는 처리 용량이 장시간 걸쳐 디바이스에 부담이 될 수도 있지만, 파워를 받는 디바이스엔 실현가능할 것이다. 그러나, 디바이스가 파워가 공급되지 않았거나 극히 낮은 파워 상태이면 이러한 기록 프로세스가 동작하지 않을 것이다.
본 발명자는 시간의 함수로서 온도의 변화가 디바이스에 기록될 수 있도록 본원에서 기록 구조라고도 지칭되는, 적절한 모니터 구조와 결합될 수도 있을 것음을 알았다. 또한, 이러한 기록은 디바이스가 파워가 공급되지 않았거나 비-파워 소비 상태에 있었더라도 달성될 수 있었을 것이다.
본원에 기술된 바와 같이, 모니터링 원자의 확산 프로파일에 의해 표현되는 성분의 물리적 상태는 본원에서 마모 모니터 센서라고도 하는 마모 모니터 디바이스 및/또는 모니터 구조가 파워를 받는지에 관계없이 일어날 수 있다. 그러나, 상태를 전기적으로 측정하는 것은 마모 모니터 디바이스 및/또는 모니터 구조에 파워를 공급하여 수행할 수 있다. 이 맥락에서, 확산 프로파일과 관련된 물리적 상태를 기록하는 것은, 예를 들어, 메모리 디바이스에 디지털 정보를 기록하는 것과 구별된다.
도 66a-도 66c는 본 개시의 제1 실시예에 따른 온도 마모 모니터 디바이스(660)의 단면도이다. 온도 마모 모니터 디바이스는 적절한 물질, 이 예에서는 제1 영역(1020)의 상측 표면(1024)과 접촉하는 소량의 금(1022)에 노출된 제1 영역(1020)을 포함한다. 제1 영역(1020)은 시간의 함수로서 확산 속도를 캡처하는 확산 이력 메모리로서 작용하는 제2 영역(1030)과 접촉한다. 사용에서, 제2 영역(1030)은 외부에서 인가될 수있는 전계 또는 p-n 접합을 가로질러 생성된 내부 전위차와 매우 유사하게, 반도체 물질 내의 그레이드된 불순물 농도로 인한 고유 전계를 받는다. 도 66a/도 66b에 도시된 개념적 구성은, 많은 다른 방식으로 구현될 수 있다. 영역(1020, 1030)은 반도체 내의 영역일 수 있다. 사용에서, 본원에서 용질이라고도 언급되는 모니터 원자가 반도체와 상호작용하여 도너 또는 어셉터 불순물이 된다. 모니터 원자/불순물로서의 금의 경우, 금은 전자(낮은 에너지 상태)를 받아들임으로써 효과적으로 하전되고, 금 원자(들) 주위에 이 전자 구름은 전계에 의해 이끌린다. 이어 전자 구름은 금 원자를 끌어당긴다. 이것은 양극성 운동으로서 알려져 있다.
도 67은 금의 금속 블록(1022)이 실리콘 이산화물 절연층(1032) 위에 피착되었고, 제1 영역(1020)이 블록(1022)과 절연층(1032) 위에도 피착되고 제2 영역으로서 작용하는 반도체 물질층(1030) 사이에 수직 계면에 의해 형성되는 도 66a의 구조의 변형예를 도시한 것이다. 층(1032)은 기판(1040) 위에 형성될 수 있다. 이 주제에 대한 다른 변형이 가능하다.
시간에 관련하여 온도 변동을 기록하기 위해, 영역(1020)에서 실리콘으로 들어간 물질은 이 영역으로부터 멀리 이동하여 메모리 구조에 저장된다. 영역(30)이 물질을 저장하기 위한 메모리를 제공하는 동안, 물질, 예를 들어, 확산된 금(이 예에서)을 영역(1020)으로부터 이동시키는 것은 또 다른 메커니즘에 의해 제공된다. 이것은 공지된 및 제어가능한 레이트로 제2 영역(1030)을 따라 금이 드리프트하도록 디바이스에 걸쳐 전위를 인가함으로써 행해질 수 있다. 전위는 도 68에 도시된 바와 같이 외부 소스에 의해 제공될 수도 있을 것이다. 여기에서, 전압원(1050)은 전극(1052, 1054)에 연결된다. 도시된 바와 같이, 전극(1052)은 금(1022)에 인접하거나 접촉할 수 있다. 전극(1054)은 제2 영역(1030)이 전극(1052, 1054) 사이에 개재되도록 제1 전극(1052)으로부터 멀리 원격에 배치된다. 예를 들어, 실리콘 이산화물로 채워진 트렌치(1060)의 형태인 절연 장벽은 메모리의 동작 동안 전압원(1050)으로부터 실질적으로 어떠한 에너지도 인출되지 않도록 전극(1052, 1054) 사이에 전류 흐름을 금지하게 작용할 수 있다. 따라서, 전압원(1050)은 캐패시터가 온도 마모 모니터 디바이스에 연관된 회로의 동작 수명에 걸쳐 적절한 전압을 유지할 수 있다는 기대를 갖고 온도 마모 모니터 디바이스의 제조 및/또는 패키징 동안 초기 전하가 주어지는 캐패시터에 의해 구현될 수도 있을 것이다. 전극(1052, 1054) 간에 분리 및/또는 전압원(1050)에 의해 제공되는 전압은 반도체(1030)의 제2 부분을 따라 작용하는 전계 강도에 영향을 미치고, 결과적으로 내부에 금의 드리프트 속도 및 따라서 요소(1030)가 온도가 해상될 수 있는 그래뉼래러티 또는 해상 뿐만 아니라 메모리로서 작용하는 기간을 변화시킨다.
불순물(예컨대, 금)의 드리프트 속도는 전계에 비례하고 따라서 V에 비례한다.
결과적으로, 영역(1030)을 따른 임의의 거리(L)는 다음으로
L= 0에서 주입으로부터 기간(tL)과 관련되며, KD는 드리프트 속도 계수이다.
도 69는 본 개시의 다른 실시예를 구성하는 온도 마모 모니터 디바이스의 단면도이다. 이 실시예에서 온도 마모 모니터 디바이스는 외부 전압원 없이 작동할 수 있다. 전처럼, 전계는, 제1 영역(1020)으로부터 멀어지도록 그리고 알려지고 예측가능한 레이트로 금(또는 다른 비-금속 모니터 원자)과 같은 확산된 귀금속을 이동시키기 위해 인가된다. 이 실시예에서, 전계는 제2 부분(1030) 내의 그레이드된 도핑 프로파일에 의해 제공된다. 제2 부분(1030)은 연장된 PN 접합을 형성하도록 도핑될 수 있거나 제2 부분(1030)은 단일 극성, 즉 N 유형 또는 P 유형의 그레이드된 프로파일로 도핑될 수 있다. 도펀트들 중 하나의 도핑 농도는 도 69에 개략적으로 도시되었다. 예를 들어, 인과 같은 도너 불순물의 농도는 제1 영역(1020) 근처에서 비교적 낮을 수 있고, 제1 영역(1020)으로부터 말단인 1070로 지정된 볼륨이 비교적 클 수 있다. 대조적으로, 붕소와 같은 어셉터 불순물의 농도는 영역(1070)에서 비교적 낮을 수 있고 제1 영역(1020)에 근접한 영역(1072)에서 비교적 높을 수 있다. 도 70a는 20 미크론 거리에 걸쳐 단계적으로 대략 cm3 당 1018 불순물까지 상승하는 대략 cm3 당 1013 불순물의 도핑 농도를 갖는 제1 영역(1020)에 가장 가까운 단부의 도핑 농도를 보여주는 그래프이다. 이러한 도핑 프로파일은 제2 영역의 표면을 마스킹하고 이어 마스크 내 개구를 에칭함으로써 달성될 수 있고, 여기서 애퍼처의 농도는 마스크가 일 단부에서 대체로 개방되거나 완전히 개방되고, 다른 단부에서 주로 폐쇄, 즉 단지 몇개의 애퍼처를 갖도록 그리고 이들 사이에서 애퍼처 밀도가 달라지게 가변한다. 일단 마스크가 제거되면, 기판은 선형 그레이드된 프로파일에의 계단식 근사화를 생성하여 이에 따라 도 70b에 도시된 바와 같은 전계 분포와 도 70c에 도시된 바와 같이 거리의 함수로서 변하는 디바이스에 걸쳔 전압 전위가 생기도록, 주입 부위로부터 인을 멀리 확산시키기 위해 열처리될 수 있다.
도 71은 제2 영역(1030)에 진입한 모니터 원자의 "블로브"가 정전기 장의 영향 하에 시간의 함수로서 제2 영역을 따라 어떻게 진행하는지를 개략적으로 도시한다. 확산된 금의 농도는 제2 부분(1030)을 따라 작용하는 전압 그레디언트에 의존하여 더 길거나 더 짧은 주기가 또한 가능할지라도, 서로 다른 시간에서, 예를 들면, 1개월 간격, 6개월 간격 또는 1년 간격으로 취해진 복수의 스냅샷(T1 내지 T5)에 걸쳐 보여졌다. 금은 제1 부분(1020)을 통해 제2 부분(1030)으로 확산되었기 때문에, 금은 다양한 밀도 프로파일을 갖는다. 도시의 단순성을 위해, 금의 밀도는 도면에서 음영 영역으로 표현된다. 영역(1080)은 제1 고농도의 일부를 나타내고, 영역(1082)은 제2(감소된) 농도의 영역을 나타내고, 영역(1083)은 더 감소된 농도의 제3 영역을 나타낸다. 전계는 메모리 부분(1030)을 따라 그리고 도면에서 왼쪽에서 오른쪽으로 물질의 이 영역을 이동시키게 작용한다. 한편, 금은 여전히 어떤 확산의 대상이 될 것이다. 따라서, 블록(1080, 1082, 1083)은 전계의 작용으로 인해 왼쪽에서 오른쪽으로 병진하고 확산 작용으로 인해 퍼진다. 따라서, 시간(T2)에서 영역(1080)은 새로운 위치로 병진되었고 이제, 감소된 농도의 영역(1082)과 더욱 감소된 농도의 영역(1083)에 의해 양에서 경계가 정해진다.
T3에 도달했을 때 영역(80)은 너무 많이 확산되어서 제1 농도의 금이 더 이상 존재하지 않게 된다. 농도는 감소된 농도의 영역(1083c)과 제4 (더욱 감소된) 농도의 영역(1085)에 의해 경계가 정해진 영역(1082)으로 표현된 범위 내로 떨어졌다. T4에 도달했을 때, 영역(1082)에 의해 표현된 제2 레벨의 농도는 더 이상 존재하지 않고, 대신에 제4 농도 영역(1085)과 제4 농도 영역(1087)과 제6 농도 영역(1088)에 의해 경계가 정해진 영역(1083)을 갖는다.
T5에 도달했을 때 불순물의 블록은 확산되어 더 넓어지며 이제는 제4, 제5 및 제6 농도의 영역으로 구성된다. 따라서, 모니터 원자가 전계의 함수로서 왼쪽에서 오른쪽으로 드리프트함에 따라, 확산의 결과로 또한 넓어지게 됨에 유의한다. 도 72는 도 71과 동일한 정보를 그래픽으로 나타낸 것이나, 이제는 시간 T0에서 만들어진 접촉 영역에 대해 시간이 T1에서 T6으로 시간이 진행함에 따라 명목상의 중심 위치에 대한 확산 프로파일을 도시한다.
전술한 바와 같이, 유효 초기 농도는 온도의 함수이며, 일정 기간 후에 마모 모니터 디바이스에 표시된 실제 도핑 농도는 금과 반도체 간에 계면에서 온도 변화의 결과로서 다양한 모니터 원자 농도들의 콘볼루션으로 간주될 수 있다.
마모 모니터링 디바이스 및 메모리 둘 다의 역할을 하는 반도체 부분 내 공간적으로 변조된 도핑 프로파일에 지배적 온도를 인코딩하는 메커니즘을 성공적으로 실증할 때는, 메모리에서 데이터를 어드레스하고 판독할 수 있을 필요가 있다.
도 73은 복수의 전극(1100, 1102, 1104, 1106, 1108)이 반도체의 제2 영역(30) 내에 이격된 방식으로 형성되는 어레이 판독 디바이스의 제1 실시예에 대한 단면도이다. 5개의 전극만이 도시되었지만, 더 적거나 더 많은 전극이 제공될 수 있다. 쇼트키 장벽이 수립되는 것을 피하기 위해, 전극(1100 내지 1108) 각각은 작은 고농도 도핑 영역(1100a 내지 1108a) 위에 피착될 수 있다.
인접한 전극들 사이의 누설 전류가 측정될 수 있게 혹은 전극(1100 내지 1108)의 임의의 선택된 것과 층(1030) 아래에 형성된 반도체 영역 간에 혹은 층(1030)의 일 측으로의 누설 전류가 또한 결정될 수 있게 측정 회로와 접촉하도록, 전극들의 각각은 멀티플렉서에 의해 선택될 수 있거나, 전극들의 각 쌍은 멀티플렉서에 의해 선택될 수 있다.
도 74는 평면도로 도 73의 배열을 도시한다.
도 75는 도 73의 라인 A-A'를 따른 디바이스의 단면도로서, 제2 영역(1030)은 N-형 영역(디바이스가 비-파워 모드에서 동작할 수 있게 의도되었는지 따라 그레이드된 도핑 프로파일을 갖거나 갖지 않은)이 되게 도핑되었다. 제2 영역(1030)은 P-형 웰(1110) 내에 긴 핑거로서 형성된다. 콘택(1112)은 고농도 도핑 영역(1113)을 통해 P-형 물질(1110)로 만들어진다. 반도체의 표면은 콘택(1112, 1116)이 형성되는 곳을 제외하고, 패시베이션층, 예를 들어, 실리콘 이산화물(1115)로 덮인다. 웰은 역방향으로 바이어스된 p-n 접합을 형성하기 위해 더 도핑된 영역들에 의해, 혹은 도 75에 도시된 바와 같이 실리콘 온 절연체 제조 기술에서 알려진 바와 같이 절연 벽에 의해 경계가 정해질 수 있거나(요망된다면).
다른 실시예에서, 도 76에 도시된 바와 같이, 복수의 트랜지스터가 제2 영역(1030)의 길이를 따라 공간적으로 형성될 수 있다. 이 도시에서 트랜지스터(1120, 1122, 1124, 1126, 1128, 1130, 1132, 1134, 1136, 1138, 1140, 1142, 1144, 1146 , 1148, 1150, 1152, 1154, 1156, 1158)은 이들의 활성 영역, 예를 들어 이들의 드레인 중 하나가 영역 반도체(1030)의 일 측 상에 위치되고 이들의 활성 영역, 예를 들어 이들의 소스 중 또 다른 것이 영역(1030)의 다른 측 상에 위치되게 형성된다. 마모 모니터 디바이스는 원하는 시간적 해상 및 사용 기간에 따라 다양한 크기로 형성될 수 있다. 제한없이, 마모 모니터 디바이스는 길이가 수십 마이크론 내지 수백 마이크론의 범위일 수 있다.
트랜지스터 구조는 JFET 또는 MOSFET, 등의 구조일 수 있다. JFET 구조에서, 드레인-소스 도핑은 제2 영역(1030) 아래로 연장될 수 있고, 제2 영역은 게이트로서 작용할 수 있다. MOSFET 구조에서, 제2 영역은 드레인과 소스 사이에 채널을 형성하기 위해 드레인 영역 및 소스 영역과 동일한 반도체 유형일 수 있고, 다른 전극은 제2 영역(1030) 위에 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 영역(1030) 주위 및 이를 포함하는 반도체는 영역(1030)이, 예를 들어, 긴 베이스를 형성할 수 있는 바이폴라 접합 트랜지스터를 형성하도록 도핑될 수 있다. 에미터 영역은 영역(1030)의 선택된 부분에 인접하여 또는 내에 제공될 수 있고, 콘택은 에미터 영역에 만들어질 수 있다. 영역(1030)에 인접한 추가의 임플란트는 콜렉터로서 작용할 수 있다. 콜렉터 영역은 바이폴라 접합 트랜지스터에 의해 공유될 수 있거나 각 트랜지스터는 자신의 콜렉터로 제조될 수 있다.
판독 동안, 기준 전압이 제2 영역(1030)에 인가될 수 있고, 이어 트랜지스터들(1120 내지 1158)의 파라미터가 결정될 수 있으며, 파라미터는 각각의 트랜지스터 각각에 대한 채널 부분의 도핑의 함수이다. 파라미터는 핀치-오프 전압, 누설, 이득, 주파수 응답, 등을 포함할 수 있다.
이들 파라미터 각각은 판독될 수 있지만, 실제로 데이터가 디바이스 상에서 판독될 때의 다이 온도의 함수로서 변수가 될 것이다. 따라서, 모니터 원자의 확산에 의해 영향을 받을 수 없도록 위치된 추가의 판독 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 이것은 모니터 원자의 확산이 디바이스의 동작 수명 내에서 일어나지 않을 거리에 제2 영역(1030)의 말단 단부에, 혹은 드리프트 필드가 모니터 원자가 기준 디바이스의 동작에 간섭하는 것을 금지하는 영역 내에, 판독 구조를 배치함으로써, 혹은 반도체의 격리된 영역에 기준 디바이스를 제조함으로써 달성될 수 있다.
반도체로 확산하는 도펀트 물질, 예를 들어, 금의 능력을 수정하고자하는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 온도가 결과가 크게 관련되는 제1 임계 미만이거나 또는 금이 너무 빠르게 확산하는 제2 온도 범위 이상이라면, 확산을 금지하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 상황에서, 또 다른 상이한 도핑 물질을 갖는 추가의 마모 모니터 디바이스를 사용하는 것이 바람직할 수도 있을 것이다.
예를 들어, 높은 온도 범위에 대해 측정하고자 한다면, 보다 높은 활성화 에너지를 갖는 불순물 또는 모니터 원자가 선택되어야 한다. 은은 1.6 eV의 실리콘에서 활성화 에너지를 가지고 있어 고온에서 사용하기에 적합하게 한다.
수백 도의 온도에서 모니터링을 위해서 2.2eV의 활성화 에너지를 갖는 백금 또는 3eV의 활성화 에너지를 갖는 알루미늄이 적합할 수 있다.
낮은 온도에 대해서, 1.0eV의 활성화 에너지를 갖는 구리 또는 0.76eV의 활성화 에너지를 갖는 나트륨이 사용될 수 있다. 이 리스트는 완전한 것이 아니며 예로서만 제공된다.
도 77은 도펀트(1022)가 캔틸레버(1200) 상에 유지되는 마모 모니터 디바이스를 개략적으로 도시한다. 캔틸레버는 상이한 열팽창 계수를 갖는 상이한 물질의 인접한 층에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 캔틸레버는 따뜻해짐에 따라 한 방향으로 굽어지며 냉각됨에 따라 다른 방향으로 굽어지는 경향이 있는 바이메탈 스트립과 같이 작용한다. 굽어짐 방향의 선택은 설계자의 재량에 달려 있다. 따라서, 도펀트 물질(1022)은 제1 온도 범위 동안 온도 마모 모니터 디바이스로부터 떨어져 유지될 수 있고 제2 온도 범위에 걸쳐 온도 마모 모니터 디바이스의 제1 영역(1020)과 강제로 접촉하게 된다. 접촉은 최상층(1202)이 최하층(1204)보다 더 팽창하면 온도가 증가함에 따라 이루어질 수 있고; 또는 최하층(1204)이 층(1202)과 같이 열 팽창의 더 높은 온도 계수를 갖는다면 온도가 증가함에 따라 들어올려질 수 있다. 이것은 어레이를 따라 도펀트를 스위핑하는 전계과 관련하여, 상대적으로 높은 농도는 스트립이 도펀트(1022)를 표면과 접촉하게 지지함을 나타내고, 상대적으로 낮은 농도는 도펀트(1022)가 반도체의 표면과의 접촉으로부터 멀리 당겨졌음을 나타내는 것으로, 온도 감지에 대한 더 많은 바이너리 접근법이 채택될 수 있게 한다.
일부 경우에, 어떤 이벤트 후, 예를 들어 처음 전원이 넣어진 후에, 기록을 금지하거나 온도를 기록할 수 있게 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 배열은 도펀트(1222)가 전기적으로 제어되는 마이크로일렉트로닉 기계식 시스템 상의 가동 캔틸레버 상에 유지되는 도 77에 도시된 것과 유사한 구조를 사용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 MEMS 시스템, 예를 들어, 스위치는 당업자에게 잘 알려져있다.
예를 들어, 도 78에 도시된 배열에서, 캔틸레버는 제1 영역(1020) 내의 반도체 물질에 도펀트(1022)를 접촉하게 자연히 바이어스된다. 그러나, 이 접촉은 도 78에 도시된 티터-토터 배열의 대향 측 상의 제어 전극(1210)에 전압을 인가함으로써 파괴될 수 있어, 그럼으로써 제1 영역(1020)과의 접촉에서 도펀트(1022)를 들어올릴 수 있다. 따라서, 제어 콘택(1210) 상에 적절한 전압의 제공은 도펀트(1022)를 제1 영역(1020)과의 접촉으로부터 끌어당기기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 제어 전극이 전극(1210)에 대향하는 스위치의 다른 측 상에 형성되면, 전극은 도펀트를 영역(1020)과 접촉하게 끌어당겨기 위해 사용될 수도 있을 것이다.
모니터 원자 물질의 블록(1022)을 반도체와 접촉으로 및/또는 접촉으로부터 이동시키는 다른 메커니즘이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 측 상에 유체에 노출된 멤브레인에 걸쳐 작용하는 기계적 힘은 과압 또는 과소 압력 이벤트를 기록하기 위한 압력 마모 모니터 디바이스를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 접촉 풋프린트가 접촉 면적이 압력에 따라 변하도록 프로파일된다면, 과압 이벤트의 크기는 모니터 원자 농도 내에서 인코딩될 수 있다.
도 79는 앞서 설명된 온도 마모 모니터 디바이스를 갖는 다이에 임베드될 수 있는 데이터 인출 회로를 개략적으로 도시한다. 멀티플렉서(1250)는 판독 구조와 상호작용하는 복수의 입력(1260.1 내지 1260.n) 중 하나를 선택하기 위해 제공된다. 따라서, 판독 구조가 복수의 다이오드 유사 구조로서 형성되면, 입력(1260.1 내지 1260.n)은 도 84에 도시된 전극(844)의 개별 전극을 선택한다. 그러나, 판독 구조가 트랜지스터로 형성되면, 입력(1260.1 내지 1260.n)은 도 76에 도시된 트랜지스터(1120 내지 1158)의 개별 트랜지스터들 간에 선택될 수 있다. 멀티플렉서의 출력은 차분 증폭기(1270)의 제1 입력에 제공된다. 차분 증폭기(1270)의 제2 입력은 기준 신호 발생기(1280)로부터 기준 신호를 수신한다. 기준 신호 발생기(1280)는 온도 마모 모니터 디바이스에서 사용되는 것과 동일한 판독 디바이스에 의해 형성될 수 있는데, 모니터 원자의 소스는 제공되지 않는다. 기준 디바이스(1280)는 판독할 때 판독 회로에의 온도 영향을 보상하기 위해 사용된다. 증폭기(1270)에 의해 출력된 차이 신호는 디지털-아날로그 변환기(1290)에 의해 디지털화되어 데이터 프로세서(1300)에 제공된다. 데이터 프로세서(1300)는 프로그램가능 데이터 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 대안적으로, 농도마다 출력 전압을 변환하기 위해 멀티플렉서(1250)를 제어하는 상태 머신과 룩업 테이블의 조합으로서 구현될 수 있다. 데이터 프로세서(1300)는 출력(1302)을 제공한다. 출력(1302)은 설계자의 선택으로 접촉 또는 무선 통신 링크에 의해 제공될 수 있다. 측정 성분을 휘스톤 브리지 유사 회로로 구성하는 것과 같은 다른 회로 구성도 가능한다.
본원에 기술된 회로는 기능성 다이 상에 구현될 수 있다. 대안적으로, 본원에 개시된 회로는 도 80에 개략적으로 도시된 바와 같이 칩 스케일 패키지(1324) 내의 기능 회로(1322)를 내포함는 다이와 함께 패키징된 특별화된 다이(1320) 상에 제공될 수 있다.
지금까지 기술된 배열은 온도 마모 모니터 디바이스에 적절하였다. 그러나, 확산 속도가 또한 농도의 함수인 것이 주어졌을 때, 본원에 개시된 교시된 바는 농도 모니터에도 적용될 수 있다.
도 81은 본 개시의 교시된 바에 따른 농도 모니터의 평면도를 개략적으로 도시한다. 일반적으로 1330으로 지정되고 평면도에 도시된 농도 모니터는 2개 또는 3개의 채널을 포함한다. 포함될 수 있는 제1 채널(1332)은 온도 기준 채널이다. 포함될 수 있는 제2 채널(1334)은 온도 측정 채널이고, 포함될 수 있는 제3 채널(1336)은 농도 측정 채널이다. 제2 채널(1334)은 전술한 실시예들 중 하나로부터 형성된다. 제1 채널(1332)은 유사하게 형성되지만 모니터 원자(1022)의 소스를 포함하지 않는다. 농도 채널(1336)은 온도 채널(1334)과 매우 유사하게 형성되지만, 대신에 금(1022)은 적용되지 않으며, 애퍼처(1360)는 농도가 측정되어진 제2 모니터 원자, 또는 시약이 제3 채널(1336)의 제1 영역으로 확산할 수 있게 형성된다. 각각의 채널은 전술한 유형의 측정 구조를 포함하고, 적절한 데이터 처리 회로에 연결된다. 온도 채널(1334)은, 다양한 실시예와 관련하여, 예를 들어, 도 66a/도 66b와 관련하여 설명된 온도 마모 모니터링 디바이스와 유사할 수 있고, 제1 영역 및 제2 영역을 포함할 수 있는데, 제1 영역은 제1 모니터 원자에 노출되도록 된 것이고, 제2 영역은 제1 모니터 원자를 제1 영역으로부터 멀리 이동시키도록 된 것이다. 포함될 때, 온도 측정 채널(1332)은 온도 채널(1334)의 제2 영역에 대응하는 제3 영역을 포함한다. 포함될 때, 농도 측정 채널(1336)은 제2 모니터 원자 또는 시약을 노출시키는 애퍼처(1360)를 포함하는 제3 영역, 및 제3 영역과 접촉하여 있고 제4 영역을 따라 제2 모니터 원자 또는 시약을 이동시키도록 한 제4 영역을 포함한다.
도시되고 전술한 배열에서, 마모 모니터 디바이스는 온도 농도의 영구적 기록을 유지한다. 이것은 고유 전계, 빌트-인 전계, 또는 외부에서 인가된 전계의 영향 하에서, 불순물 소스로부터 마모 모니터 디바이스의 바디를 따라 불순물 원자를 드리프트하게 함으로써 달성된다. 전계는 제1 방향을 따라 인가된다. 전계의 제공은 또한 판독 구조로부터 불순물 원자를 스위핑함으로써 마모 모니터 디바이스를 주기적으로 클리어하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 배열은 도 82에 개략적으로 도시되었는데, 1380로 지정된, 모니터 원자(1022)의 소스 및 판독 구조는 반도체(1400)의 영역의 표면에 형성된다. 사용에서, 모니터 원자는 도핑에 의해 수립된 고유 전계에 의해, 또는 여기에 도시된 바와 같이 전극(1410, 1412) 사이에 인가된 전위차(V1)에 의해 X 방향으로 반도체를 통해 스위핑된다. 그러나, 때때로, 전극들(1420, 1422) 사이에 인가된 제2 전압(V2)은 불순물 원자를 Y 방향으로 스위핑하기 위해 사용될 수 있다. V2가 V1보다 훨씬 크다면, 판독 구조(1380)는 측정/판독 영역(1380)으로부터 불순물 원자들을 스위핑하기 위해 제2 전압(V2)을 인가함으로써 효과적으로 리셋될 수 있음을 알 수 있다.
도 83은 실시예에 따라 코어 회로의 마모를 시간-분해 모니터링하기 위해 구성된 마모 모니터링 디바이스(840)를 도시한다. 도시된 디바이스 구조는 전술한 것과 유사하다. 도시된 것과 같은 공핍 폭 대 도펀트 농도의 그래프는 모니터 영역으로서 공핍 영역의 상대적 폭(깊이) 및/또는 감도를 재단하기 위해 이용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 84는 실시예에 따라 코어 회로의 마모를 시간-분해 모니터링하기 위해 구성된 마모 모니터링 디바이스(840)를 도시한다. 도시된 디바이스(840)는 수직 및 측면 방향으로 복수의 PN 접합 영역을 포함하는데, P 영역 중 하나는 디퓨전트 또는 모니터 원자의 저장소를 형성하였고, 각각의 P 및 N 영역은 이 위에 전극(844)을 형성하였다. 구성된 바와 같이, 복수의 콘택은 확산된 디퓨전트 원자의 양과 관련된 전기적 특성, 예를 들어 누설 전류가 수직 및/또는 수평 위치의 함수로서 기록될 수 있게 하며, 이는 시간적 이력을 나타낼 수 있다. 또한, 이하 상세히 논의되는 바와 같이, 전하를 갖는 디퓨전트 원자를 이용함으로써, 전극은 디퓨전트 원자의 이동을 "고속 포워드" 또는 "리와인드"하기 위해 이용될 수 있다.
도 85는 복수의 마모 모니터를 도시한 것으로, 마모 모니터 디바이스의 서로 상이한 것들은 응용에 따라, 상술된 상이한 특징들의 조합을 사용하여 인에이블되고 공조될 수 있다. 도 85의 마모 모니터는 모니터 원자의 저장소와 하지의 기판 사이에 형성된 장벽층을 갖는다. 위에 도시되고 기술된 바와 같이, 개별 마모 모니터는 개개의 마모 모니터 디바이스의 장벽층을 변경 또는 제거하기 위해 자극, 예를 들면, 전압을 인가함으로써 상이한 시간에 초기화되어 마모 모니터를 초기화할 수 있다. 초기화된 마모 모니터 디바이스는 모니터 원자를 저장소에서 기판으로 확산시킬 준비가되어 있으며 이로부터 기이한 전기적 특성에 변화가 측정될 수 있다.
도 86은 개별 확산 모니터 장치에 액세스하는 것이 퓨즈에 의해 공조될 수 있는 어레이로 배열된 복수의 마모 모니터를 도시한다. 예를 들어, 제1 마모 모니터 디바이스(D1)의 어떤 기간/동작 수명 후에, 제1 마모 모니터(D1)에 연결된 제1 퓨즈(F1)는 블로우될 수 있으며, 이어서 이제 D2가 활성 모니터가 되도록 제2 마모 모니터 디바이스(D2)에 전압이 인가된다. 응용에 특정한 멀티플렉싱 시스템을 사용하여서로 다른 입력/출력(I1...In)은 공조될 수 있고(퓨즈 블로우가 바람직하지 않을 수 있게), 서로 다른 모니터로부터 원자의 확산에서 상대적인 차이를 효과적으로 보여주는 전기 출력은 가치있는 정보를 제공할 수 있다
도 87-도 94는, 예를 들어, 실시예에 따라 코어 회로의 마모의 모니터링, 예를 들어, 시간-분해 모니터링을 하도록 구성된 감지 회로에 전기적으로 연결된 복수의 마모 모니터 디바이스 또는 영역(예를 들어, D1, D2,...)을 갖는 마모 모니터 디바이스의 실시예를 도시한다.
도 87은 실시예에 따라 시간-분해 모니터링을 위한 트랜지스터 및 감지 회로에 각각 연결된 복수의 마모 모니터 또는 영역(D1, D2,... Dn)을 포함하는 마모 모니터의 배열을 도시한다.
도 88은 실시예에 따라 장벽(438)에 의해 기판(62)으로부터 분리되는 모니터 원자를 각각 포함하는 복수의 저장소(434)를 포함하는 마모 모니터(좌측의 평면도, 우측의 평면도)를 도시한다. 도 43a와 관련하여 도시된 마모 디바이스와 유사하게, 각각의 저장소는 모니터 원자, 예를 들어 Au를 포함하고, 각 장벽(438)은 모니터 원자의 확산을 개시하기 위해 충분한 전기 자극, 예를 들어 전압 또는 전류가 인가될 때 제거되거나 소비될 수 있는 물질로 형성된다. 각 장벽(438)은 전기적 자극을 제공하기 위해 트랜지스터에 연결될 수 있다. 평면도에 도시된 바와 같이, 장벽(438)은 장벽(438)에 인가되는 고전류가 확산을 개시하기 위해 예를 들어 용융 또는 일렉트로마이그레이션에 의해 장벽(438)에 개구를 형성하도록 저장소 또는 모니터 원자가 배치되는 영역에서 박막으로서 구성된다
도 89-도 94는 실시예에 따라 시간-분해 모니터링을 위해 모니터 원자(예를 들면, Au)의 저장소 및 복수의 전극(D1, D2,... Dn)이 형성된 기판(예를 들면, Si)를 포함하는 마모 모니터를 도시한다. 다른 곳에서 설명한 바와 같이, D1, D2,..., Dn 각각은 공핍 영역이 모니터 영역으로서 작용할 수 있는 기판에 형성된 PN 접합 상에 형성될 수 있다.
도 89는 기판이 "고속 포워드" 및/또는 "리와인드" 회로에 연결되고, 일단 모니터 원자가 저장소로부터 기판으로 확산되면, 모니터 원자의 전하 상태에 따라 전류를 왼쪽 또는 오른쪽 방향으로 전류를 흐르게 함으로써 모니터 원자를 왼쪽 또는 오른쪽으로 측방으로 확산시키도록 구성되는 것을 도시한다.
도 90은 실시예에 따라, 역방향 바이어스 누설 멀티플렉스된 측정 회로에 연결된 전극을 도시한다. 일 실시예에서, 양, 예를 들어, +1V가 n+ 영역에 인가될 때, 다이오드는 역방향 바이어스 하에서 양 단자 및 음 단자 모두에 약 0V를 가할 것이다.
도 91은 실시예에 따라, 차동 측정을 위한 기준 구조를 포함하는 역방향 바이어스 누설 멀티플렉스된 측정 회로에 연결된 전극을 도시한다.
도 92는 게이트가 전극(D1, D2,... Dn)으로서 작용하는 복수의 모니터 MOS 트랜지스터(T1, T2,,,, TN)를 도시한다. 기준 트랜지스터 뿐만 아니라 모니터 MOS 트랜지스터는, 실시예에 따라, 차동 측정을 위한 차동 증폭기에 연결된다. 회로는, 다른 파라미터 중에서도, MOS 트랜지스터가 턴 온되는 동안 MOS 임계 전압에 시프트를 측정하도록 구성되는데, 이 시프트는 MOS 트랜지스터의 채널로 모니터 원자의 확산에 기인할 수 있다. 동작에서, MOS 트랜지스터의 임계 전압이 시프트할 때, 검출 노드에서 전압은 그에 따라 변한다. 측정은 단일 종단 또는 차동일 수 있다.
도 93은 게이트가 전극(D1, D2,..., Dn)으로서 작용하는 복수의 모니터 MOS 트랜지스터(T1, T2,... TN)를 도시한다. 모니터 MOS 트랜지스터는 전류원에 연결된다. 회로는 다른 파라미터 중에서도, MOS 트랜지스터가 턴 오프되는 동안 채널을 통한 누설 전류를 측정하도록 구성된다. 동작에서, 검출 노드가 전류원에 의해 초기에 하이로 이끌어진 후에, 확산되어져 있을 수 있는 모니터 원자로 인한 채널을 통한 전류 누설은 검출 노드를 로우로 이끌어낸다.
도 94는 역방향 바이어스 회복 전류를 측정하도록 구성된 감지 회로를 도시한다. 전극은 인버터/버퍼에 의해 순방향에서 역방향 바이어스로 다이오드를 구동하기 위한 제어 신호를 수신하도록 구성된다. 다이오드가 순방향에서 역방향으로 구동될 때, Rin의 좌측에 전압은 대략 GND로 끌어내어진다. 다이오드 역 회복 때문에, Rin의 좌측에 전압은 GND 미만으로 끌어내어진다. 이 신호는 다이오드 역 회복을 측정하기 위해 증폭되고 변환된다.
도 95a는 실시예에 따라 모니터 다이오드(952)를 포함하는 역방향 바이어스 회복 전류를 측정하도록 구성되고 코어 회로의 마모를 모니터링하도록 구성된 감지 회로(950)를 도시한다. 도통에서 차단 상태로 스위칭할 때, 다이오드 또는 정류기는 다이오드가 역 전류를 차단하기 전에 먼저 방전되어야 하는 전하를 저장하였음이 인식되었다. 이 방전은 역 회복 시간(trr)으로서 알려진 유한 시간량이 걸린다. 이 시간 동안, 다이오드 전류는 역 방향으로 흐를 수 있다. 본 발명자는 이러한 다이오드의 역 회복 시간(trr)이 마모 스트레스의 결과로서 다이오드의 PN 접합에 진입하는 불순물, 예컨대 금에 의해 변경된다는 것을 발견했다. 이 효과에 기초하여, 코어 회로의 마모는 실시예에 따라 준-정량적으로 결정될 수 있다. 도시된 회로(950)는 모니터 다이오드(952)를 순방향 바이어스된 구성에서 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭하고 이로부터 역방향 회복을 측정하여, 마모 스트레스로 인한 불순물의 양, 유형 및/또는 위치를 준-정량적으로 결정하도록 구성된다.
도 95b는 모니터 다이오드(952)가 순방향 바이어스된 구성에서 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭될 때, 도 96a에 도시된 감지 회로(950)의 상이한 노드에서 측정된 전류 및 전압을 도시한다. 페이지의 상부로부터 도시된 4개의 그래프는 시간의 함수로서, 다이오드(952)에 걸친 전압, 다이오드(952)에 걸친 전류, 다이오드(952)에 직렬 연결된 저항기에 걸친 전압, 및 증폭기에 걸친 출력 전압에 대응한다. 도시된 바와 같이, 페이지의 상부로부터의 제2 그래프는 순방향 바이어스 영역, 순방향 회복 영역, 및 역방향 바이어스 영역을 포함하는 상이한 영역들로 천이할 때 다이오드(952)에 걸쳐 측정된 전류를 도시한다. 증폭기의 양의 전압 출력은 코어 회로의 마모를 준-정량적으로 결정하기 위해 사용될 수 있다.
도 96a는 내부에 불순물이 확산되지 않은 기준 다이오드(962)를 포함하는 기준 회로(960)를 도시한다. 기준 회로(960)는 코어 회로의 마모를 모니터링하도록 구성된 모니터 다이오드(952) 대신에, 기준 회로(960)가 기준 다이오드(962)를 포함하는 것을 제외하고, 도 95a와 관련하여 도시된 감지 회로(950)의 회로 성분에 대응하는 다양한 회로 성분을 포함한다. 기준 다이오드(962)는 예를 들어, 다이오드(962)의 공핍 영역 내로 확산하게 구성된 모니터 원자를 포함하지 않는다.
도 96b는 기준 다이오드(962)가 순방향 바이어스된 구성으로부터 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭될 때, 도 96a에 도시된 기준 회로(960)의 상이한 노드에서 측정된 전류 및 전압을 도시한다. 도 96b에 도시된 4개의 그래프는, 도 95b에 감지 회로(950)와 관련하여 도시된 4개의 그래프에 대응한다. 특히, 제2 그래프는 도 9a에 도시된 감지 회로(960)를 이용하여, 순방향 바이어스된 구성으로부터 역방향 바이어스된 구성으로 스위칭될 때, 도 96a의 기준 다이오드(962)에 걸친 전류를 도시한다. 도시된 바와 같이, 도 95b에서 측정된 전압 출력과 비교하여 증폭기로부터의 비교적 작은 전압 출력은, 코어 회로의 마모를 준-정량적으로 결정하기 위해 기준으로서 사용될 수 있다.
모니터 원자의 확산 방향을 반전시키게 구성된 마모 모니터 디바이스
위에 다양한 실시예와 관련하여 설명된 바와 같이, 마모 모니터 디바이스 내의 어떤 위치에서의 모니터 원자의 농도는 마모 스트레스의 통합 이력을 나타낼 수 있다. 원자 확산은 반대의 화학적 포텐셜 없이 농도 그레디언트에 의해 구동될 수 있기 때문에, 모니터 원자의 순 이동 방향은 모니터 원자의 농도가 감소하는 방향이되는 경향이 있다. 결과적으로, 다양한 구성에 대해서, 마모 모니터 디바이스는 "1회용" 디바이스로서 구성될 수 있다. 그러나, 일부 응용에 있어, 모니터 원자의 움직임을 마모 스트레스를 받은 후 반대 방향으로 "리와인드"가 가능할 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
이들 및 다른 요구를 해결하기 위해, 전술한 다양한 실시예와 유사하게, 마모 모니터 디바이스는 마모 스트레스가 모니터 원자가 저장소로부터 멀리 그리고 모니터 영역으로 확산하게 하도록 구성된다. 또한, 마모 모니터 디바이스는 모니터 원자가 모니터 영역 내 확산될 때 차지 상태를 갖게 하도록 구성되고, 모니터 원자가 확산된 모니터 영역에 전계가 인가되었을 때 전계가 모니터 원자로 하여금 모니터 영역으로부터 멀리 그리고 저장소로 되돌아가게 확산하도록 모니터 영역에 전계를 인가하게 구성된다. 이들 실시예에서 모니터 원자의 이동 방향은 농도 그레디언트가 증가하는 방향에 있음을 알 수 있다. 따라서, 다양한 실시예에 따라, 마모 모니터 디바이스는 모니터 원자가 확산된 모니터 영역에 전계가 인가될 때, 전계가 모니터 원자로 하여금 농도 그레디언트가 증가하는 방향으로 확산하게 하는 하는 크기를 갖는 전계를 인가하도록 구성된다. 이들 실시예는 도 97 및 도 98를 참조하여 설명된다.
도 97은 동작에서, 도 56a 및 도 63a와 관련하여 도시된 것과 유사하게, 마모 모니터 디바이스의 단면도를 도시한 것으로, 마모 모니터 디바이스는 실시예에 따라, 코어 회로의 마모를 측정하기 위해 원자의 상호확산에 기초한 전기적 서명이 이용될 수 있도록 구성된다. 도 98은 도 97의 마모 모니터 디바이스 및 디바이스에 연결된 제어 및 감지 회로의 단면도이다. 특히, 도 97 및 도 98에 도시된 디바이스는 복수의 영역을 포함하는데, 각각의 영역은, 실시예에 따라, 외부 자극을 사용하여 초기화되게, 그리고 코어 회로의 마모의 모니터링, 예를 들면, 시간-분해 모니터링을 하게 구성된다. 초기화되고 마모 스트레스를 받아 모니터 원자가 각각의 모니터 영역으로 확산되게 한 후, 모니터 원자는 모니터 원자가 확산되어진 모니터 영역에 전계를 인가함으로써, 모니터 영역 내에서 확산될 때 차지 상태를 갖도록 되어 있기 때문에, 모니터 원자는 모니터 영역으로부터 멀리 그리고 저장소로 되돌아가게 확산하게 된다.
제어된 초기화, 시간-분해 모니터링, 및 모니터 원자의 확산 방향을 반대로 하게 구성된 마모 모니터 디바이스에 기초한 센서 네트워크 시스템
일부 디바이스는 코어 회로의 장애를 초래할 수 있는 예측된 시간 및/또는 예측된 사용량을 갖는 코어 회로를 포함한다. 예측된 장애 발생 시간 및/또는 예측된 실패 발생 사용은 한 세트의 조건, 예를 들면, 평균 조건에 대해 때때로 계산되고 및/또는 실험적으로 결정된다. 예를 들어, 장애에 대한 민(mean) 시간은 전류 밀도, 온도 및 활성화 에너지를 포함한 한 세트의 조건에 기초하여 일렉트로마이그레이션에 관계된 장애에 대해 계산될 수 있다. 그러나, 코어 회로의 실제 시간 및/또는 사용은 종종 장애가 예측되는 시간 및/또는 사용 조건과는 상당히 상이하여(예를 들어, 미만으로 또는 그 이상으로), 예기치 않은 장애 또는 불필요한 교체로 이어지게 한다. 따라서, 코어 회로가 받은 실제 시간 또는 사용을 보다 가깝게 나타내는 마모 표시를 코어 회로의 사용자에게 경보할 필요성이 있다. 다음에, 이 및/또는 다른 필요를 해결하기 위해, 마모 모니터 & 임무 프로파일 모니터의 다양한 실시예를 통합한 시스템이 설명된다.
다양한 실시예에 따라, 센서 네트워크 시스템은 센서 노드 네트워크를 포함한다. 센서 노드 네트워크는 복수의 센서 노드를 포함하며, 센서 노드 각각은 전술한 하나 이상의 마모 모니터 디바이스 및 응용 처리 유닛을 포함한다. 하나 이상의 마모 모니터 디바이스는 코어 회로로부터 분리되고 이에 대해 적절하게 배열되며, 코어 회로의 마모 표시를 기록하도록 구성되며, 표시는 코어 회로의 마모를 야기하는 마모 스트레스에 응하여 마모 모니터 디바이스 내에 디퓨전트의 국부적인 확산과 관련된다. 마모 모니터 디바이스는 센서 노드의 마모 모니터 디바이스에 파워가 공급되는지에 관계없이 마모 표시를 기록하도록 구성된다. 센서 노드 네트워크는 기록된 표시를 전송하기 위해 서버 또는 호스트된 서비스에 통신가능하게 결합된다. 서버 또는 호스트된 서비스는 마모 표시를 사용자에게 전달하고 및/또는 부품을 교체하라는 알람 신호를 제공하도록 구성된다.
본원에 개시된 마모 모니터와 함께 배치할 수 있는 많은 상이한 응용 특정의 시스템이 있다. 도 99를 참조하면, 코어 회로의 마모를 감시하기 위한 시스템, 예를 들어 센서 네트워크 시스템이 설명된다.
도 99의 도시된 시스템은 하나 이상의 센서를 포함한다. 실시예에 따라, 센서는 센서 노드(1450)에 배열될 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 모듈에 배열된 하나 이상의 센서는 센서 노드라 지칭될 수 있다. 다양한 실시예에서, 센서 노드(1450)는 예를 들어 비-파워 패키지 내에, 데이터를 캡처하도록 구성된 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 센서 노드는 하나 이상의 마이크로프로세서, RAM, 비휘발성 RAM(NVRAM), 하드 디스크, 통신 모듈 및/또는 일단의 물리적 인터페이스를 포함하는 APU(Application Processing Unit)를 추가로 포함할 수 있다. 센서 노드는 수거된 캡처된 데이터를 가능하게 하는 하나 이상의 데이터 액세스 인터페이스를 추가적으로 갖는다. 이들 인터페이스는 다른 포트 또는 인터페이스 중에서도, GPIO 핀, USB 포트, 병렬 인터페이스, RS232 연결, 이더넷 포트 또는 무선 전송용 라디오(RF, Wi-Fi, 블루트스, 등)를 포함하는데, 그러나 이들로 제한되지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 물리적 또는 무선 수단을 통해 노드로부터 수거된 데이터는 수송 동안 데이터 스트림으로서 알려져있다.
센서 노드의 설치 및 구성은 노드가 보안적으로 그리고 안전하게 센서 네트워크에 추가될 수 있도록 예를 들어, 보안 프로토콜을 통해 수행될 수 있다. 이것은 모든 노드가 네트워크에서 신뢰될 수 있고 비권한 노드가 네트워크에 액세스를 얻는 것을 방지할 수 있다.
여전히 도 99를 참조하면, 데이터 기록 또는 판독은 각 센서 노드에서 캡처될 수 있다. 일부 응용에서, 센서 노드의 환경 및 데이터 처리 능력에 따라, 데이터는 각 센서 노드에서 정보로 변환될 수 있다. 정보는 캡처된 데이터의 향상된 또는 더 높은 해상을 결정하기 위해 분석 데이터 처리 알고리즘을 사용하여 변환된 데이터를 포함한다. 일부 응용에, 센서 노드의 네트워크 환경 및 처리 능력에 따라, 캡처된 데이터는 비권한 액세스를 방지하기 위해 암호화 또는 유사한 방법을 사용하여 보호될 수 있다.
여전히 도 99을 참조하면, 하나 이상의 노드에서 캡쳐된 데이터/정보는 업스트림 시스템(1454)에 전송 또는 송신된다(센서 노드의 기능에 의존하여). 본원에 기술된 바와 같이, 업스트림 시스템은 센서 노드는 아니지만 센서 네트워크로부터 모든 데이터 및/또는 정보를 저장, 처리 및 이용가능하게 하도록 구성된 별도의 독립적인 하나의 환경이다. 업스트림 시스템은 센서 노드의 능력, 네트워크 환경 및 시스템의 응용 요구에 따라 데이터를 보호한다. 업스트림 시스템은 데이터를 정보로 변환하며, 이의 정보는 시스템에 의해 커버되는 응용에 의해 마주치는 특정 도메인 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있다.
여전히 도 99를 참조하면, 도시된 시스템의 센서 노드는 후술되는 바와 같이 실시예에 따라 다양한 구성을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 노드는 제로 파워 모드 하에서 구성된다. 이 모드에서, 센서는 리딩으로부터 읽거나 이를 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)에 저장할 필요없이, 혹은 연속적으로 파워를 인가하여, 리딩을 취하여 저장하게 구성된다.
이 모드에서, 마이크로프로세서(MP) 또는 NVRAM 모듈은 생략될 수 있다. 각 센서 노드의 온-디맨드 리딩을 가능하게 하도록 인터페이스가 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 노드는 연속 동작 모드 하에서 구성된다. 이 모드에서, 센서는 연속적으로 파워가 공급되고(예를 들어, 메인스 서플라이 또는 배터리를 통해), 소정의 시간 간격으로 각 센서로부터 연속적인 리딩을 취하도록 구성된다. 이러한 리딩은 NVRAM에 저장되며 나중에 하나 이상의 인터페이스를 사용하여 업스트림 시스템에 전달할 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 노드는 센서가 주기적으로 웨이크업되고 최신 리딩을 기록하도록 구성되는 모드 하에서 구성된다. 이 모드 하에서, 내부 클럭(크리스털, 등을 통해), 일부 NVRAM 및 일부 단순 논리 회로는 초-저 파워의 딥 슬립 상태로부터 주기적으로 웨이크업되고, 리딩은 각 센서로부터 취해지고 리딩은 NVRAM에 저장한다. 이들 리딩은 나중에 하나 이상의 인터페이스를 사용하여 업스트림 시스템에 통신될 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 노드는 센서가 인터럽트 이벤트에 대해 웨이크업되고 최신 리딩을 기록하도록 구성되는 모드 하에서 구성된다. 이 모드 하에서, MP 및 일부 I/O 회로의 추가로, 시스템은 인터럽트 이벤트에 대해 웨이크업하고 각 센서로부터 리딩을 취하고 이들 리딩을 NVRAM에 저장할 수도 있을 것이다. 이들 리딩은 나중에 하나 이상의 인터페이스를 사용하여 업스트림 시스템에 통신될 수 있다.
다양한 센서 노드 구성에 대해서, NVRAM은 NVRAM이 용량에 다가가게 되었을 때, 센서 노드가 센서 리딩 기록을 멈추게, 또는 선입 선출(FIFO) 방법을 사용하여 리딩을 연속적으로 기록하게 구성될 수 있도록 구성될 수 있다.
위에서 설명된 다양한 센서 노드 구성에 있어서, 센서 노드는 하나 이상의 센서 리딩 이외에 순간적 노드 동작 조건을 감지하고, 데이터에 관한 정보에 근거한 결정을 내리기 위한 계산을 수행하기 위해 온-보드 알고리즘 프로세서를 사용하여 데이터를 분석하고, 이들 계산의 결과를 저장하게(즉, 데이터가 아닌 정보를 저장) 구성될 수 있다. 예를 들어, 이 정보는 파워 용량을 보다 잘 활용하거나 중대한 이벤트가 캡처될 수 있도록 인터럽트 제어기의 웨이크업 주기 또는 구성을 제련하기 위해 추가의 계산에서 사용될 수 있다.
센서 및 센서 노드는 센서 네트워크에 더욱 배열될 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 일단의 센서 노드는 센서 네트워크라 지칭될 수 있다. 센서 네트워크는, 예를 들어, 전체 플래닛을 포함하는 단일 장비, 룸, 빌딩, 시설 또는 지리적 영역을 커버할 수 있다. 다음에서, 실시예에 따라, 센서 네트워크의 다양한 구성이 설명된다.[0557]
도 100은 센서 네트워크(1501)가 네트워크 전송(1502)을 통해 사설 서버(1509)를 포함하는 업스트림 시스템에 통신가능하게 결합된 것을 도시한다. 네트워크 및 업스트림 시스템은 비즈니스/기관에 사적이며 센서 네트워크에서 캡처된 데이터를 변환하는 것으로부터 수거한 정보는 이 비즈니스/기관에 특정한 응용에 사용된다.
네트워크로부터 캡처된 데이터는 암호화, 등을 사용하여 각 노드에서 보호되고 사설 서버로 보안적으로 전송될 수 있다. 물리적 또는 무선 매체를 통한 모든 네트워크 전송은 보안적으로 수행될 수 있다. 데이터 전송은 기밀성(데이터 스트림은 권한없는 사람에 의해 액세스될 수 없다), 무결성(데이터 스트림이 탬퍼링되거나 변경될 수 없음을 보장한다), 및 인증 이용(사용자 및/또는 시스템이 자산이 누구라고 주장하는 것에 대ㅎ 식별함을 보증하기 위해)을 보장하는 프로토콜을 사용하여 보안이 될 수 있다
보안된 전송 프로토콜의 예는 SSL(Secure Sockets Layer), 해시된 메시지 인증 코드(HMAC), 및 공개/서설키 교환을 포함한다.
업스트림 서버는 데이터 수집/처리 명령으로부터 코맨드 및 제어(CnC) 명령을 라우팅 및 분리하는 시스템 제어기(1504)를 포함한다. CnC 명령은 네트워크 구성 코맨드, 새로운 노드 설치/셋업 코맨드 및 네트워크 헬스 관리를 포함하는데, 그러나 이들에 제한되지 않는다.
CnC 명령은 노드 관리자(1506)로 라우팅된다. 노드는 모든 CnC 명령을 처리하고 취급하도록 구성된다.
데이터 수집 및 처리 명령은 처리 엔진(1505)에 라우팅된다. 처리 엔진(1505)은 적절하게 데이터를 저장하고, 데이터 분석 알고리즘을 사용하여 데이터로 정보를 변환하고, 적절하게 정보를 저장하고, 시스템 응용 요구, 구성 및 정보로 데이터 변환의 결과에 따라 이벤트를 일으키게 구성된다..
이벤트 관리자(1510)는 시스템에서 일어난 모든 이벤트를 취급하도록 구성된다. 이벤트 취급은 사용자 디스플레이 업데이트, 이메일 통지, 업스트림 시스템 상호작용 및 센서 네트워크 CnC 명령(예를 들면, 강제된 셧다운 코맨드)을 포함할 수 있는데, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.
모든 데이터 및 정보는 백킹 스토어에 존속된다. 백킹 스토어는 데이터 파일 또는 데이터베이스(관계형 및 비-관계형 모두)(1508)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 데이터는 데이터 스키마를 이용하여 저장된다. 센서 노드 및 데이터베이스 테이블을 포함하는 예시적 스키마 예가 아래에 표2 및 표3과 관련하여 예시되었다.
표 2
표 3
도 101은 실시예에 따라, 클라우드 호스트된 서비스에 신 가능하게 결합된 센서 네트워크를 도시한다. 센서 네트워크 데이터는 수집되어 클라우드 컴퓨팅 서비스라고도 하는 호스팅된 서비스 또는 서비스들에 전송될 수 있다. 클라우드는 데이터를 정보로 존속, 분석 및 정보로 변환하고 이 정보에 대해 적절한 조치를 취하도록 구성된다.
이들 호스트된 서비스는 응용 요구 및 센서 네트워크 배치에 따라, 사설(비즈니스 또는 시설 내의 사설 네트워크), 하이브리드(공공 인터넷 액세스가능 서비스와 사설 네트워크와의 조합), 또는 공공(인터넷 액세스가능 서비스)일 수 있다.
공공 클라우드의 예는 호스트된 서비스가 고객이 사적으로 소유한 센서 네트워크 범위로부터 데이터를 캡처하기 위해 사용되는 경우이다. 클라우드는 이의 스케일 및 처리 능력을 활용하여 각 고객에게 가치있는 변환된 데이터로부터 변칙 또는 유의한 정보를 추론한다.
가능한 서비스 배치는 다음 모델이 포함하지만 그러나 이로 제한되지는 않는다.
자신이 선택한 호스팅된 서비스 네트워크 상에 서비스를 자유롭게 배치하는 고객에게 소프트웨어 및 알고리즘이 판매되는 SaaS(Software-as-a-Service) 모델.
각 고객이 이들의 데이터에 대한 소유권 및 제어를 보유하지만 온라인 호스트된 서비스가 제공되고 이들의 데이터의 저장 및 분석에 사용될 수 있게 하는 PaaS(Platform-as-a-Service) 모델.
여전히 도 101을 참조하면, 클라우드, 호스트된 서비스는 센서 네트워크 데이터 스트림을 업스트림 처리 시스템에 효율적 분배를 확실히 하기 위해 로드 밸런서(1501)를 이용한다. 분배는 일반적으로 백엔드 호스트된 시스템의 볼륨 및 현재의 로드에 기초하지만 이들로 전적으로는 아니다.
도 102는 센서가 사설 서버 또는 호스트된 서비스와 직접 통신함으로써 데이터를 수집하도록 구성된 실시예에 따른 센서 네트워크를 도시한다. 그러나, 보다 실제적인 접근법은 센서 네트워크로부터 데이터/정보 리딩을 수집하기 위해 프록시 서버를 사용하는 것이며 이 수집된 데이터를 업스트림 시스템으로 전송하게 하는 것이다.
도 102의 도시된 실시예에서, 프록시 서버는 데이터 스트림을 업스트림 시스템에 전송하기 위해 보안된 프로토콜을 이용할 수 있다.
일반적으로, 프록시 서버(1605)는 센서 네트워크로부터 데이터를 수집하고 저장하는데 가용한 고용량 스토리지를 가질 수 있다. 캡쳐된 데이터의 용량 및 실시간 중요도에 따라, 프록시 서버는 데이터를 업스트림 시스템에 통신하기 위한 적절한 간격을 갖게 구성할 수 있다.
일부 상황 하에서, 프록시 서버는 센서 네트워크로부터 데이터를 수집하기 위해 단 범위 무선 프로토콜(1604)(예를 들어, 블루투스)을 이용할 수 있다.
일부 상황 하에서, 각각의 센서 노드는 물리적 연결(1603)(예를 들어, RS232)을 이용하여 프록시 서버에 직접 연결될 수도 있을 것이고 데이터는 이 연결을 통해 전송될 수도 있을 것이다.
스니커넷 디바이스(1612)는 각 노드로부터 데이터를 수집하고 프록시 서버에 업로드하기 위해 사용될 수 있다. 스니커넷은 유선 또는 무선 네트워크를 통해 정보를 전송하기보다는 저장 매체(예를 들면, USB 플래시 드라이브) 또는 온보드 스토리지를 가진 리더 디바이스를 소스에서 목적지로 물리적으로 이동시킴에 의한 전자 정보의 전송을 지칭한다.
제한없이, 다양한 실시예에 따라, 여기에 기술된 센서 네트워크 시스템의 일부로서 사용되도록 구성될 수 있는 하나 이상의 마모 모니터 디바이스/센서(WOS)를 포함하는 집적 회로 디바이스는 다음 특징 중 하나 이상을 포함한다.
전술한 바와 같이, WOS는 WO가 파워를 공급는지 아니면 파워를 공급받지 않은지에 관계없이 마모 상태를 기록할 수 있고, 압력, 가스, 시간, 전압 및/또는 전류를 포함하는 다양한 마모 스트레스에 의해 활성화될 수 있다. 시스템은 WOS의 상황을 조합하고 더 높은 레벨의 시스템이 조합된 상황의 결정을 내릴 수 있게 한다. WOS는 다양한 레이트로 또는 전류/전압, 등의 존재에서 가변하게 도출될 수 있다.
WOS는 물리적 "게이트 물질/재료"를 사용하여 인에이블 또는 디저블될 수 있다.
WOS는 주 물질/구조/센서의 존재로 인해 발생하는 2가지 물리적 현상의 모니터링을 통해 구현될 수 있다(예를 들면, 금, 실리콘 결정 격자로 확산하고 이어 자유 실리콘 원자는 금의 상측 표면에서 산화하며, 두 물리적 현상은 전기적으로 측정되고 제어될 수 있다).
WOS는 모니터링 하에 디바이스의 현재 상태에 더 많은 데이터 점을 생성하기 위해 하나 이상의 실현을 사용하여 구현될 수 있다.
WOS는 단일 센서에 의해 다수의 온도 범위를 모니터링할 수 있도록 다수 물질층 또는 주 물질 플러스 또 다른 요소/재료를 사용하여 생성될 수 있다.
WOS의 현재 상태는 제어 하에 반전/재설정/클리어될 수 있다.
WOS의 물리적인 구현은 디바이스별로 WOS로부터 고유 서명이 판독될 수 있게 한다.
WOS의 물리적 구현은 원자 카운팅을 가능하게 할 수 있다.
WOS의 물리적 구현은 물질 경계에 대한 물리적 변경을 통해 WOS에의 일부 또는 모든 연결성의 활성화 또는 비활성화를 허용할 수 있다.
WOS의 물리적 구현은 단일/다수 소스 요소/물질에 대해 다수의 판독 점을 가능하게 할 수 있다.
WOS는 디바이스/칩/모듈이 단지 한번만 솔더링되었음을 검출하기 위해 사용될 수도 있을 것이다.
장벽 물질은 솔벤트/용질의 정상적 퍼짐을 제어하기 위해 주위에/관하여/떨어져 사용될 수 있다.
장벽은 블로우가 가능하게(전기, 광자, 화학적, 물리적 스트레스, 브레이크다운, 디케이, 등), 비-블로우가 가능하게, 증발이 가능하게 하기 위한 것일 수 있다/가능하게 할 수 있다.
WOS는 물질, 예를 들면, 이산화 실리콘의 물리적 성장을 통해 추가의 커패시터 차동 센서를 가능하게 할 수 있다. 이것은 단일 센서가 마모에 관한 2개의 개별적 데이터 점을 생성할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 WOS는 SOC 및 SIP를 포함하는 단일/다수 다이를 위한 패키지 내에 임베드된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 WOS는 동일 물리적 모듈 및/또는 3D 인쇄된 어셈블리 내에 내포된다. 물리적 모듈의 예는 다수의 집적 회로가 있는 PCB 보드 또는 가요성 기판을 포함하지만 각 성분 간에 물리적 연결, 예를 들면, 리본 케이블, 플렉스, RF 및 광학이 있거나 없는 시스템일 수도 있을 것이다.
이들 실시예에서, WOS는 물리적 모듈 내부에 있을 수 있게 전기적 및 물리적으로 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, WOS는 전기적으로 통합될 수 있지만 그러나 모듈 외부에 물리적으로 배치될 수 있다. 물리적 모듈 외부에 있을 때, WOS는 주변 조건을 캡처할 수 있다.
또한, 모듈은 능동 또는 수동일 수 있다. 모듈이 수동일 때, 모듈은 독립적 인 파워를 가지지 않지만 자체 파워로 외부 디바이스에 의해 판독될 수 있다. 모듈이 능동일 때, WOS는 예를 들어 파워/전압/전류가 있을 때만 모니터하도록 구성된다.
일부 실시예에서, WOS는 3D-인쇄 구조에 임베드될 수 있는데, 상호연결은 3D-인쇄 구조에/ 상에 임베드된다. 이 접근법은 다수의 WOS가 구조 전체에 걸처 분산될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 WOS는 극단의 환경 조건, 예컨대 온도 범위를 경험할 모듈/구조 내에 인캡슐화된다. 이들 실시예에서, 비교적 더 민감한 전자장치는 극단의 환경 조건의 소스, 예를 들어 온도 소스로부터 멀리 적당한 거리에 유지되거나 또는 이로부터 격리된다. WOS는 센서로부터 리딩을 취하는 능력을 할 수 있게 하는 물리적/광학적/RF 매질을 통해 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 WOS는 요구시 또는 주기적으로 센서 리딩을 원격 및/또는 무선으로 전송하기 위한 최소 전자장치를 갖는 모듈에 저장된다.
주기적 데이터 전송은 파워가 공급되는 센서를 통해, 또는 하베스트된 환경 에너지(광, 태양, 온도)를 통해 이루어질 수 있다.
원격 모듈/구조는 또한 RFID 파를 통해 폴링될 수 있다. 일부 원격 통신 방법은 보안 프로토콜을 사용할 수 있다.
WOS는 "서비스 수명" 미터로서 사용될 수도 있을 것이며, 여기서 주어진 시간 후에 WOS는 디바이스가 최대 수명에 도달하였음을 시스템에 플래그하고 교체를 위해 플래그한다. 이 "서비스 수명"은 능동적이거나 수동적일 수도 있을 것이며, 시간, 온도, 압력, 전압, 전류, 가스, 등일 수도 있을 것이다.
도 103은 실시예에 따라, 센서 네트워크 시스템으로의 통합을 위해, 전술한 다양한 마모 모니터 디바이스에 만들어 질 수 있는 다양한 물리적 및 전기적 연결을 도시한다. 특히, 도시된 마모 모니터 디바이스는 도 98과 관련하여 도시된 디바이스와 유사하다. 특히, 도시된 디바이스는 복수의 영역을 포함하는데, 각각의 영역은 실시예에 따라, 외부 자극을 사용하여, 그리고 코어 회로의 마모의 모니터링, 예를 들면, 시간-분해 모니터링을 위해 초기화되도록 구성된다.
마모 모니터 디바이스에 기반한 센서 네트워크 시스템의 예
예: 시스템 A
발명자는 부품이 비교적 긴 시간 동안 비활성 상태로 선반 위에 놓였을 때 코어 회로를 포함하는 부품의 활성 수명을 결정하기가 어려울 수 있다는 것을 인식하였다. 사용되기 전에 부품이 얼마나 오래 비활성으로 놓여져 있었는지를 아는 것은 부품의 수명 성능 및 능력의 장애 분석 및 일반적 특징화에 유용할 수 있다.
이들 및 다른 필요를 해결하기 위해, 실시예에 따른 마모 모니터 디바이스에 기초한 센서 네트워크 시스템이 도 1과 관련하여 도시된다. 도 104를 참조하면, 하나 이상이 실온에서 확산하는 물질을 기반으로 하는 다수의 WOS를 사용하여, 부품에 처음 파워가 넣어졌을 때의 리딩을 취하고, WOS가 높은 레벨의 확산을 보인다면 부품이 사용되었기 전에 장 시간 동안 비활성으로 놓여져 있었음을 알 수 있다. 이것은 비휘발성 메모리(NVM) 또는 다른 영구 스토리지에 로그되며, 정밀 아날로그 회로 트리밍 및 또는 포스트 장애 진단, 특징화에서, 또는 심지어는 부품의 남은 수명 및 능력을 사용자에게 경고/표시하는데 사용될 수 있다. 하나 이상의 센서가 활성이 될 수도 있을 것이다.
장애 진단 및 예방적 보수관리를 지원하기 위해 적절한 클라우드 플랫폼(표준 통신 인프라구조에 걸쳐, 보안, 데이터 처리 및 관리 기술을 포함하는 클라우드 인프라구조)이 사용될 수 있다. 센서 모듈 등록 프로세스의 부분으로서, 고유 식별 코드, WOS의 고유 식별 프로파일, WOS의 확산 레벨과 같은 모듈의 중요 속성은 기록되고 보고할 수 있고; 주어진 디바이스/모듈 응용 공간에 대한 표준 확산 프로파일과 비교될 수 있다. 이 프로세스는 사용자가 사용할 수 있거나 제조자의 장애 분석 조직 또는 로열티 기반 시스템 보호 부서로 제한될 수 있다.
일단 센서/모듈이 등록되면, 제조자는 부품의 동작 조건 및 남은 예상 수명을 결정하는데 고객을 돕기 위해 추가의 클라우드 서비스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 자동차 디바이스는 최종 동작을 x 주/일/시간/분으로 플래그하여 사용자에게 디바이스가 디저블되기 전에 교체할 시간을 제공한다.
따라서, 시스템 A는 캘리브레이션에서부터 장애 분석에 이르기까지 사용 동안 부품 내 코어 회로의 거의 전 수명 이력을 유리하게 캡처할 수 있다.
예: 시스템 B
본 발명자는 WOS의 성능 또는 정확도가 부품의 물질 및 동작 온도 범위에 의존할 수 있다는 것을 인식하였다. 밴드외 온도 이벤트, 예를 들면, 짧은 시간 동안 또는 WOS 물질의 활성화 레벨 미만의 온도 범위에 오랜 노출 동안 온도 스파이크를 캡처하고 상관시키는 것이 유용할 것이다.
이들 및 다른 요구를 해결하기 위해, 마모 모니터 디바이스에 기초한 실시예에 따른 시스템은 수동(WOS)과 능동 센서와의 조합을 포함한다. 조합을 사용하여, 부품에 파워를 받는 동안 추가의 리딩이 행해질 수 있다. 이들 리딩은 시스템의 보다 완전한 온도 프로파일을 결정하기 위해 WOS 리딩과 함께 사용될 수 있다. 웨이크업 타이머와 함께, 실제 프로파일은 캡처되어 NVM에 저장되거나 슈퍼바이저 시스템 및 클라우드 인프라구조에서 외부 처리를 위해 통신될 수도 있을 것이다.
따라서, 시스템 B는 유리하게 디바이스 레벨에서 정확한 온도 프로파일 로깅을 제공할 수 있다.
예: 시스템 C
본 발명자는 비-ECC 메모리 스로리지에 의존하는 시스템에 심각한 영향을 가져올 수 있는 우주 광선 또는 입자로 인해 데이터 열화가 발생할 수 있다는 것을 인식했다.
이들 및 다른 요구를 해결하기 위해, 실시예에 따른 시스템은 WOS를 갖는 메모리 칩을 포함하고 고유 확산 서명에 기이한 우주 입자 충돌 이벤트를 검출한다. 이 이벤트는 시스템을 알려진 양호한 상태로 리셋하거나 포스트 장애 분석 로깅 이벤트를 사용하기 위해 시스템에 의해 동작될 수도 있을 것이다.
디바이스 등록 프로세스는 WOS의 초기 상태를 결정하기 위한 시스템 체크를 포함하고 임의의 이러한 이벤트를 플래그할 것이다. 클라우드 서버에 대한 후속 데이터 동기화는 동일한 이벤트에 대한 체크를 포함할 수 있다.
따라서, 시스템 C는 유리하게는 방사선으로 유발되는 에러(RIE)를 검출할 수 있다.
예: 시스템 D
발명자는 디바이스 및 이의 내부 시스템 코드에 대한 다이-클로닝 및 또는 탬퍼링 및 또는 비권한 액세스를 검출하는 것이 유리할 수 있다는 것을 인식하였다.
이러한 요구 및 다른 요구를 해결하기 위해, 실시예에 따른 센서 네트워크는 디바이스에 대한 표준 임무 프로파일에 기초하여 예측가능 확산 진행을 갖는 엔트로피의 고유한 소스를 발생하도록 구성된 WOS를 포함한다. 시스템 알고리즘은 시스템 코드를 언록하기 위해 포린 해독 키를 주입하려고 시도되었는지, 또는 누군가가 디바이스에 무단으로 액세스하려고 시도하고 있음을 나타낼 수도 있을 물리적/전기적 이벤트(예를 들어, 디바이스의 캡 제거 - 큰 열 스파이크)가 발생하였음을 검출할 수 있다. 이 정보는 디바이스를 '브릭(brick)'하기 위해 사용되거나 아니면 디바이스의 IP 민감 부분을 공격자가 미치지 못하는 곳에 두려고 시도할 수 있다.
해킹 조직이 공격하고자 하는 디바이스 또는 디바이스들에 관한 정보를 수거하는데 상당한 자원을 투자하기 때문에, 침입 센서와 디바이스를 "브릭"하는 것과의 조합은 IoT 응용에 대한 솔루션 및 임베디드 하드웨어 솔루션이될 수 있다. 가능할 때, 해커는 해킹하려는 타겟 디바이스를 물리적으로 얻어 디바이스를 리버스 엔지니어링하고 이를 사용하여 가능한 공격을 테스트하려고 시도한다.
잠재적인 해킹을 플래그하는 것은 때때로 디바이스를 끄지는 않는다. 모듈을 강제로 셧다운하는 것이 심각한 결과(개인적 건강, 기계 건강, 보안 위반)를 초래할 수 있는 이러한 응용에서, 바람직한 접근법은 클라우드 플랫폼에 경보를 로그하는 것이다. 클라우드 관리자는 디바이스를 원격으로 비활성화할 수 있다.
호스트된 서비스, 예를 들어, 클라우드 호스트된 서비스와 통신하는 것은 도 105 및 도 106에 설명된 바와 같이 다양한 메커니즘을 통해 이루어질 수 있다.
더욱 진보된 선별 목적을 위해, 지리위치 하드웨어 및 모니터링은 모듈이 도 106에 기술된 바와 같이 예상된 동작 위치에 있었는지를 확립할 수 있다.
기술의 이러한 사용은 또한 내부 장애 분석에 적용될 수 있는데, 여기서 고가의 프로세스 및 자원은 클라우드 데이터를 분석함으로써 대체될 수 있다. 이 "침입 검출" 모듈 및 클라우드 서비스를 더 고가의 하드웨어와 함께 고객에게 혹은 인 시튜로 장애 분석을 수행하는 것이 선호되는 곳에 판매할 잠재력이 있다.
따라서, 시스템 D는 유리하게 침입을 검출하고 디바이스/고객 IP를 보호할 수 있다.
예: 시스템 E
본 발명자는 클라우드에서 IoT 모듈을 보안하는 것이 유리할 수 있다는 것을 인지했다.
이러한 요구 및 다른 요구를 해결하기 위해, 시스템은 임의의 주어진 시간에 WOS가 고유 확산량을 기록하고 정상 동작 하에서 값이 동작 밴드 또는 변화 레이트 내에 있을 수 있도록 구성된다. 이 값은 부팅시 암호적으로 서명된 코드를 발생하기 위해 사용될 수 있으며 알고리즘은 리버스 엔지니어링, 디-솔더링, 등으로 인해 펌웨어가 변경되어졌는지를 판단할 수 있다. 보다 진보된 솔루션은 침입 모니터를 지리위치 포지셔닝과 조합할 수 있다.
디바이스로 이로부터의 트래픽을 보안하는 것은 침입 모듈 파라미터가 기록되는 클라우드에 초기 등록 프로세스를 통해 증가될 수 있다. 미래에 통신은 이들 변수를 채널을 암호화하기 위한 솔트로서 포함할 것이다. 실제로, 자체 확산 핑거프린트를 통해 각 모듈과 보안적으로 통신할 수 있는 방법이 있을 것이다.
따라서, 시스템 E는 동작 수명 명세가 초과된다면 디바이스 암호화가 비동작이 되도록 유리하게 구성될 수 있다.
예: 시스템 F
본 발명자는 일부 디바이스가 제조자에 의해 일반적인 수명 사양과 함께 제공된다는 것을 인식했다. 그러나, 이들 디바이스에 있어서, 고객이 디바이스를 어떻게 사용하는지에 관한 어떠한 정보도 이용될 수 없고, 모든 리턴은 디바이스가 이의 전체 수명에 도달했는지에 대한 정보가 없으므로 "동등하게" 취급된다. 따라서, 부품이 이의 전체 수명에 도달하기 전에 코어 회로를 갖는 부품을 고객이 어떻게 사용했는지에 관한 정보를 제공할 필요가 있다.
이 요구 및 다른 요구를 해결하기 위해, 실시예에 따른 센서 네트워크 시스템은 WOS 또는 다수의 WOS와 활성 수명 센서와의 조합을 포함하며, 여기서 제품에 대한 특정한 동작 수명을 정의할 수 있다. 일단 수명이 초과되었으면, 디바이스는 작동불능/셧다운하게 될 것이다. 이것은, 예를 들어, 자동차/산업 응용에서 서비스 품질(QOS)이 고 우선도인 시장에서 매우 귀중할 수도 있을 것이다. 디바이스는 상황(수명 만료까지의 시간)을 슈퍼바이저 시스템에 또는 클라우드 같은 것들 외부에 통신하여, 교체 디바이스 수익 스트림 및 클라우드 모니터링 수익 스트림을 생성할 수 있다.
결어
전술한 실시예에서, 마모 모니터용 디바이스, 시스템, 및 방법은 특정 실시예와 관련하여 설명된다. 그러나, 실시예의 원리 및 이점은 마모를 모니터링할 필요를 갖는 임의의 다른 시스템, 디바이스 또는 방법에 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 위에서, 실시예의 임의의 실시예의 임의의 특징은 실시예의 임의의 다른 실시예의 임의의 다른 특징과 결합 및/또는 이로 대체될 수 있음을 이해할 것이다.
이 개시의 측면들은 다양한 전자 디바이스들에서 구현될 수 있다. 전자 디바이스의 예는 소비자 전자 제품, 소비자 전자 제품의 부품, 전자 테스트 장비, 기지국과 같은 셀룰러 통신 인프라구조, 등을 포함할 수 있는데, 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 전자 디바이스의 예는 스마트 폰과 같은 이동 전화, 스마트 시계 또는 이어폰과 같은 착용가능 컴퓨팅 디바이스, 전화, 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 컴퓨터, 모뎀, 핸드헬드 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 마이크로웨이브, 냉장고, 자동차 전자 시스템과 같은 차량 전자장치 시스템, 스테레오 시스템, DVD 플레이어, CD 플레이어, MP3 플레이어와 같은 디지털 음악 플레이어, 라디오, 캠코더, 디지털 카메라와 같은 카메라, 휴대용 메모리 칩, 워셔, 드라이어, 워셔/드라이어, 주변 디바이스, 시계, 등을 포함할 수 있는데, 그러나 이들로 제한되지 않는다. 또한, 전자 디바이스는 미완성 제품을 포함할 수 있다.
문맥이 달리 명료하게 요구하지 않는 한, 설명 및 청구 범위 전체에 걸쳐, "포함하다", "포함하는", 등의 단어는 배타적 또는 고갈적 의미와는 반대로 포괄적 의미로; 즉, "포함하지만 이로 제한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 본원에서 일반적으로 사용되는, "결합된"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 요소를 통해 연결될 수 있는 2 이상의 요소를 지칭한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용되는 "연결된"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 요소를 통해 연결될 수 있는 2 이상의 요소를 지칭한다. 또한, "본원에서", "위에", "아래에", "밑에", "위에서", 및 이와 유사한 취지의 단어는 이 출원에서 사용될 때 이 출원을 전체적으로 언급하며 이 출원의 임의의 특정 부분을 언급하지 않는다. 맥락이 허용하는 경우, 단수 또는 복수의 수를 사용하여 위에 상세한 설명에서 단어는 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 2 이상의 항목의 목록과 관련하여 단어 "또는"로서, 이 단어는 단어의 다음 해석 모두를 포함한다: 목록에 항목 중 임의의 항목, 목록에 모든 항목, 및 목록 내 항목의 임의의 조합.
또한, 이를테면, 다른 것 중에서도, "할 수 있다", "할 수도 있을 것이다", "할 수도 있을 것이다", "할 수도 있다", "예를 들어", "와 같은", 등과 같은, 본원에서 사용되는 조건부 언어는, 달리 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 또는 사용되는 맥락 내에서 달리 이해되지 않는 한, 다른 실시예는 포함하지 않지만, 어떤 실시예는 어떤 특징, 요소 및/또는 상태를 포함함을 일반적으로 전달하고자 의도된다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로, 특징, 요소 및/또는 상태가 하나 이상의 실시예에 대해, 혹은 이들 특징, 요소 및/또는 상태가 임의의 특정 실시예에서 포함되거나 수행되어야하든지 간에 어떤 식으로든 요구됨을 의미하게 의도되지 않는다.
어떤 실시예가 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예로서 제시되었으며, 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 실제로, 본원에 기술된 신규한 장치, 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있고; 또한, 본원에 설명된 방법 및 시스템의 형태에서 다양한 생략, 대체 및 변경은 본 개시의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예를 들어, 블록이 주어진 배열로 제시되는 반면, 대안적 실시예는 상이한 성분 및/또는 회로 토폴로지와 유사한 기능을 수행할 수 있고, 일부 블록은 삭제, 이동, 추가, 서브-분할, 조합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 블록 각각은 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 전술한 다양한 실시예의 요소 및 동작의 임의의 적절한 조합이 추가 실시예를 제공하도록 조합될 수 있다. 전술한 다양한 특징 및 프로세스는 서로 독립적으로 구현될 수 있거나 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 이 개시의 특징들의 모든 적절한 조합 및 서브-조합은 이 개시의 범위 내에 속하게 의도된다.
Claims (110)
- 마모 모니터링을 갖는 집적 회로 디바이스에 있어서,
코어 회로;
상기 코어 회로가 활성화되었는지에 상관없이 상기 코어 회로의 마모 표시를 조정하게 구성된 마모 모니터 디바이스; 및
상기 마모 모니터 디바이스와 관련된 전기적 특성을 검출하도록 구성된 감지 회로
를 포함하고,
상기 전기적 특성은 상기 코어 회로의 마모를 표시하고, 상기 마모 모니터 디바이스는 기판 및 상기 기판 내에서 확산하도록 구성된 모니터 원자들을 포함하고, 상기 기판 내의 상기 모니터 원자들의 도핑 프로파일은 상기 코어 회로의 마모를 나타내는 것인, 집적 회로 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 모니터 원자들은 상기 기판에서 0.75eV과 2.5eV 사이의 확산 활성화 에너지를 갖는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 모니터 원자들은 알루미늄(Al), 코발트(Co), 백금(Pt), 황(S), 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 나트륨(Na), 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 코어 회로 및 상기 마모 모니터 디바이스는 반도체 물질로 형성된 공통 기판인 상기 기판 내에 형성되고, 상기 모니터 원자들이 상기 코어 회로 내로 확산함이 없이 마모 스트레스 하에서 상기 마모 모니터 디바이스 내에 잔류하도록 구성된 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스는 상기 기판의 표면 상에 형성된 상기 모니터 원자들의 저장소를 포함하고, 상기 저장소는 상기 마모 모니터 디바이스의 제1 전극으로서 작용하고, 상기 마모 모니터 디바이스는 상기 제1 전극과는 상이한 물질로 형성된 상기 표면 상에 제2 전극을 더 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 기판은 상기 모니터 원자들에 대한 확산 매질로서 반도체 물질을 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스는 PN 접합을 포함하고, 상기 저장소는 상기 PN 접합의 p-도핑 영역 또는 n-도핑 영역 중 하나와 물리적으로 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 p-도핑 영역 또는 상기 n-도핑 영역 중 다른 하나와 전기적으로 접촉하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제7항에 있어서, 상기 전기적 특성은 상기 PN 접합의 역방향 바이어스 전류를 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스는 제1 도핑 영역 및 제2 도핑 영역을 포함하고, 상기 제1 도핑 영역 및 상기 제2 도핑 영역은 서로 분리되며 상기 제1 도핑 영역과 상기 제2 도핑 영역 사이에 바이어스 하에 펀치-스루(punch-through)하도록 구성되고, 상기 제1 도핑 영역 및 상기 제2 도핑 영역은 반대 도전형을 가지며, 상기 모니터 원자들은 상기 바이어스 하에 상기 제1 도핑 영역으로부터 상기 제2 도핑 영역으로 확산하도록 구성되는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제9항에 있어서, 상기 제2 도핑 영역은 상기 반도체 물질의 표면에 형성된 상기 제1 도핑 영역으로부터 수직으로 분리된 매립 영역인 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제9항에 있어서, 상기 제1 도핑 영역 및 상기 제2 도핑 영역은 상기 반도체 물질의 표면 영역에 형성되고, 서로로부터 측방으로 분리된 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스는 채널 영역에 의해 서로 분리된 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 포함하고, 바이어스 하에서, 상기 모니터 원자들은 상기 소스 영역 또는 상기 드레인 영역 중 하나로부터 상기 소스 영역 또는 상기 드레인 영역 중 다른 하나를 향하여 상기 채널 영역으로 확산하게 구성된 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 감지 회로에 결합된 기준 디바이스를 더 포함하고, 상기 감지 회로는, 상기 기준 디바이스의 상응하는 전기적 특성에 상기 마모 모니터 디바이스의 전기적 특성의 비교에 기초하여 마모 표시를 제공하도록 구성된 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제13항에 있어서, 상기 기준 디바이스는, 상기 모니터 원자들을 갖는 상기 마모 모니터 디바이스의 제1 전극과는 상이한 물질로 형성된 적어도 하나의 전극을 가지면서, 상기 마모 모니터 디바이스와 동일한 유형의 디바이스를 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 모니터 원자들은, 마모 스트레스가 상기 모니터 원자가 상기 기판 내에서 확산되는 레이트(rate)에 변화를 야기하도록 구성되는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스는 p-도핑 영역 및 n-도핑 영역을 포함하고, 상기 p-도핑 영역은 상기 모니터 원자들과는 상이한 p-형 도펀트를 포함하고, 상기 n-도핑 영역은 상기 모니터 원자들과는 상이한 n-형 도펀트를 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 마모 표시는 열 스트레스, 전압 스트레스, 또는 전류 스트레스 중 하나 이상을 나타내는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 마모 표시는 상기 마모 모니터 디바이스 내의 모니터 원자의 확산에 기초하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스 및 상기 코어 회로는 공통 기판 내에 집적되는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 반도체 기판을 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 절연 기판을 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 코어 회로 및 마모 모니터 디바이스를 포함하는 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법에 있어서,
마모 모니터 디바이스의 전기적 특성을 검출하는 단계 - 상기 마모 모니터 디바이스는, 반도체 물질 및 상기 반도체 물질 내로 확산하도록 구성된 모니터 원자들을 포함하고, 상기 전기적 특성은, 상기 코어 회로의 마모를 나타내는 상기 반도체 물질 내 상기 모니터 원자들의 농도 프로파일에 대응함 -; 및
상기 마모 모니터 디바이스의 전기적 특성을 보고하는 단계
를 포함하는, 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법. - 제22항에 있어서, 상기 검출하는 단계에 앞서, 상기 모니터 원자들이 상기 반도체 물질 내에서 확산되게 하는 스트레스 조건을 상기 집적 회로 디바이스가 받게 하는 단계를 포함하는, 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스는, 복수의 도핑된 영역들, 및 상기 복수의 도핑된 영역들 중 하나와 물리적으로 접촉하고 전극으로서 작용하는 상기 모니터 원자들의 저장소를 포함하고, 상기 전기적 특성을 검출하는 단계는 상기 전극을 사용하여 전류 또는 전압을 측정하는 단계를 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 스트레스 조건은 열 스트레스 조건, 전압 스트레스 조건, 또는 전류 스트레스 조건 중 하나 이상을 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스의 상기 검출된 전기적 특성에 기초하여 상기 코어 회로의 마모가 미리 정해진 레벨에 도달했는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는, 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 모니터 원자들은 상기 반도체 물질 내에서 0.75eV와 2.5eV 사이의 확산 활성화 에너지를 갖는 것인, 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 마모 모니터 디바이스 및 상기 코어 회로는 공통 기판 내에 집적되는 것인, 집적 회로 디바이스의 마모를 모니터링하는 방법.
- 마모 모니터링을 갖는 집적 회로 디바이스에 있어서,
코어 회로;
기판 내의 확산 물질의 도핑 프로파일로서 상기 코어 회로의 마모를 기록하는 수단 - 상기 도핑 프로파일은 상기 코어 회로의 마모를 나타냄 -; 및
상기 코어 회로의 마모 표시를 검출하는 수단
을 포함하고, 상기 마모를 기록하는 수단은 상기 마모 표시를 검출하는 수단과 연통하는 것인, 집적 회로 디바이스. - 제29항에 있어서, 상기 확산 물질은 0.75eV와 2.5eV 사이에 상기 기판에서 확산 활성화 에너지를 갖는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제29항에 있어서, 상기 확산 물질은 알루미늄(Al), 코발트(Co), 백금(Pt), 황(S), 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 나트륨(Na), 및 칼륨(K)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제29항에 있어서, 상기 기판은 반도체 기판을 포함하는 것인, 집적 회로 디바이스.
- 제29항에 있어서, 상기 코어 회로의 마모를 기록하는 수단은 공통 기판 내에 집적되는 것인, 집적 회로 디바이스.
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