TW201740124A - 具有內部阻抗匹配的脈衝電流源 - Google Patents
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Abstract
用於半導體積體電路與元件的電遷移測試之脈衝電流電路。該電路包含多工器，其輸出類比電壓脈衝，並能產生雙極與單極電壓脈衝。至少一運算放大器與電阻自該多工器接收電壓脈衝並將所述電壓脈衝轉換為電流脈衝。充電升壓器電路係被提供用以最小化在測試電路中之電流位準轉換期間的過衝與欠衝。
Description
本案為申請於2015年十一月10日的美國專利案號14/937,297的部份接續案，其係併入作為參考。
本發明大致關係於測試電子元件與電路的電路。更明確地說，本發明關係於用於半導體積體電路與元件的電遷移測試的電流脈衝電路。
半導體可靠度測試通常需要在範圍由-50℃至+350℃的控制溫度下，根據特定測試參數(例如，熱載子、電遷移等等)連續施加電刺激。對於電遷移測試，更明確地說，使用DC電流的測試，由於其簡單、內建保守、及相對低成本而一直是較佳的方式。然而，在製程縮小化上的進步已經使得DC測試不足，因而，有必要在脈衝狀況下，作出類似的測試。
因此，電流脈衝被經常使用於測試電子元件
與電路中。理想脈衝刺激應允許對脈衝重覆率、工作週期、極性與強度(振幅)的彈性控制。這些參數被例示於圖1A與1B中，其中，T為週期，頻率(f)為脈衝重覆率(Hz)，工作週期為2tp/T；正振幅為Ap，及負振幅為An(伏、安)。當需要高重覆率電流脈衝，例如，用於脈衝電遷移測試時，想要脈衝典型為矩形。因此，於電流位準間的轉換必須在有最小過衝的情況下陡起，以有效地在每一位準提供想要的電流驅動。圖1A與1B顯示分別在用於雙極與單極電流脈衝的電流位準間的轉換。理想上，由“DC位準”(經常上為“GND”)轉換至所需電流(“Ap”或“An”，或通常為簡單起見為“A”)為陡起，如圖1A與1B所示。
然而，事實上，此等轉換花用時間並且可能太慢而無法達到所需要最大電流位準A。有效以完成電流脈衝的技術係藉由使用兩定電流(DC)源與充電升壓器電路加以實施，例如，由Krieger等人所領證之名為“用於脈衝可靠度測試的電路與方法”的美國專利號6,249,137與由Cuevas等人所領證的名為“具有充電升壓器的脈衝電流產生器電路”的美國專利號7,049,713中所述者。然而，由於其取決分立與可能退化的電晶體，所以使用此技術變得困難。另外，漸進的半導體縮小已經更小型化脈衝電流位準，因而，使得更難免除脈衝過衝。在電路中之相當大量的分立元件組合上其複雜校正與調整，因而增加了製造與維護成本。因此，想要提供高品質脈衝電流源，其能完成
想要電流脈衝並克服以上討論的限制。
依據一實施例，測試電路被提供用以施加電流脈衝給待測裝置(DUT)。測試電路包含多工器與至少一運算放大器與電阻。多工器輸出類比電壓脈衝並能產生雙極與單極電壓脈衝。該至少一運算放大器與電阻自該多工器接收電壓脈衝並將電壓脈衝轉換為電流脈衝。運算放大器輸出電流脈衝，並且，電流脈衝取決該運算放大器與電阻接收雙極或者是單極電壓脈衝，而為雙極或單極電流脈衝。
依據另一實施例，一種方法被提供用以提供脈衝電流給待測裝置(DUT)。多數不同電壓位準係被提供給多工器的多數輸入終端。藉由使用多工器的輸入選擇線的輸入選擇組合，來決定該多工器的哪些輸入終端連接至該多工器的輸出，而由選擇電壓位準產生電壓脈衝。多工器的輸入選擇組合係藉由指定位址值給該多工器的輸入選擇線而加以執行，使得任一過渡位址值造成該多工器的輸出包含電壓脈衝的單調變化。所述電壓脈衝使用多數電阻、運算放大器與電容被轉換為電流脈衝。
依據另一實施例，也提供能提供單極與雙極電流脈衝的單一電路。該電路包含多工器與至少一運算放大器與電阻。該多工器接收至少一正電壓信號與至少一負電壓信號，及該多工器能由其所接收的電壓信號，產生雙
極與單極電壓脈衝。運算放大器與電阻由該多工器接收電壓脈衝並將電壓脈衝轉換為電流脈衝。運算放大器取決於該至少一運算放大器與電阻接收雙極或者是單極電壓脈衝，而輸出雙極或單極電流脈衝。
依據另一實施例，測試電路係被提供用於施加電流脈衝給待測裝置(DUT)。測試電路包含多工器、至少一運算放大器及電阻，及充電升壓器電路，用以最小化在電流位準轉換期間的過衝(overshoot)與欠衝(undershoot)。多工器輸出類比電壓脈衝，及多工器能產生雙極與單極電壓脈衝。運算放大器與電阻自該多工器接收電壓脈衝並將電壓脈衝轉換為電流脈衝。運算放大器取決於該至少一運算放大器與電阻接收雙極或者是單極電壓脈衝，而輸出雙極或單極電流脈衝的電流脈衝。充電升壓器電路包含至少一運算放大器、多數電阻與一電容。
100‧‧‧脈衝電流測試電路
110‧‧‧多工器
120‧‧‧數位至類比轉換器
130‧‧‧數位至類比轉換器
140‧‧‧運算放大器
150‧‧‧運算放大器
160‧‧‧寄生電容
170‧‧‧電容
180‧‧‧RDUT
190‧‧‧Rnet
200‧‧‧充電升壓器電路
210‧‧‧類比多工器
220‧‧‧數位至類比轉換器
230‧‧‧數位至類比轉換器
260‧‧‧運算放大器
270‧‧‧電容
本發明與其進一步目標與優點可以藉由參考以下發明說明配合附圖加以了解，其中：圖1A與1B分別例示雙極脈衝與單極脈衝，其係有用於測試電子元件。
圖2為依據一實施例之脈衝電流電路的概念示意圖。
圖3為依據一實施例之充電升壓器電路的概念示意圖。
圖4為依據一實施例之脈衝電流電路與充電升壓器電路概念示意圖。
圖5為提供脈衝電流給待測裝置(DUT)的方法流程圖。
本發明大致關係於測試電子元件與電路。於此實施例描述用於半導體積體電路與元件的電遷移測試的脈衝電流電路。
參考圖2至5，將描述脈衝電流測試電路的實施例。圖2為依據一實施例之脈衝電流測試電路100的概念示意圖。在所例示實施例中，脈衝電流測試電路100包含高速類比多工器110。例示多工器為ADV3221/ADV3222類比多工器，其係可由麻州Nordwood的類比裝置公司購得。多工器110可以以例如高達10MHz(40nS脈衝)的重覆率產生單極或雙極電壓脈衝。電路100的其他部份使用以這些速率適當動作的快速運算放大器，因此將這些電壓脈衝(Vin)轉換為電流脈衝(Idut)。
電路100對共模誤差的靈敏度係為將待測裝置(DUT)定位於地端與電流源間而最小化。另一優點係藉由不使用差動放大器加以取得，差動放大器通常有關於高洩漏電流。
DACp 120與DACn 130為數位至類比轉換器，其將數位電壓信號轉換至類比電壓信號。DACp 120與
DACn 130分別提供所需之分立類比電壓位準Vp與Vn給類比多工器M1 110的第二與第三輸入終端。即，Vp與Vn應足夠驅動想要電流通過RDUT。多工器M1 110的第一輸入終端係連接至地端電壓GND或至另一數位至類比轉換器(DACg)以對相加至電流脈衝的想要DC分量有控制力。在以下的例子1中，有三個電壓位準，即使在此例子中可能只需要三個電壓位準用於雙極脈衝，多工器M1110的第四輸入仍被使用並且連接至第一輸入，以完成輸出的單調改變。
通常，多工器M1 110具有較電壓位準少1條的輸入選擇線，如以下例子所述。在例子1中，兩個輸入選擇線A0與A1決定多工器M1 110的哪些輸入係被連接至多工器M1 110的輸出(Vin)。如於此所解釋，特定連接性係為故意的而不是任意的，以第二輸入連接至最高最大電壓(在此例子中之Vp)，第一與第四輸入連接至中間值(如果有的話，GND或DACg)，及第三輸入連接至最低電壓(Vn)。
多工器M1 110的輸入選擇組合係藉由指定位址值給輸入選擇線A0與A1加以執行，使得任意過渡位址值一直造成單調性，並且因此，無縫的輸出變化(例如，高=>低=>更低；低=>高=>更高)，並以如下例子作更詳細的演示：
如於以上例子所示，在由Vp至Vn以及由Vn至Vg的轉換期間，只有一位址線改變。然而，如果由Vp至Vn的轉換發生，則指定輸入選擇為A0=1及A1=1作為Vg的過渡位址，確保不論哪一位址線首先改變狀態-多工器MUX M1 110的輸出電壓仍單調地跟隨想要的電壓轉換。將了解的是，在其他實施例中，如上所述之三位準狀況可以使用類似定址方法，分別以三與四輸入選擇線，如以下例子所示，擴充至四位準脈衝與五位準脈衝，並確定具有單調轉換。
在以上例子2中，在由V1至V4的轉換中，有兩個輸入選擇線改變狀態：A2由1至0及A0由0至1。如果A2在A0之前轉換，則所得轉換型樣為000，這係被指定給V2。另一方面，如果A0在A2A0之前轉換，則所得轉換型樣為101，這係被指定給V3。因此，當位址型樣改變時，所得電壓改變為單調。
因此，如上所示，隨著單一位址線的每次變化，下一個電壓被選擇。例如，由V2轉換至V5，電壓V3、V4及V5將一直以該順序加以選擇(即單調變化)，而沒有間隙或重複電壓選擇。
假設寄生電容Cpar160與電容C1 170很小(R5*C1小於Tp或Tn的百分之一；及Rnet*Cpar小於Tp或Tn的百分之一)，則其充放電將花用遠較tp與tn為少的
時間(圖1)。假設，流經RDUT180的電流IDUT係與流經Rnet190的電流相同，則以下的關係式成立：
其中與分別為運算放大器OPA1 140與OPA2 150的補償電壓。將了解的是，輸入偏壓電流因為太小而不能對電路100有任何顯著影響，因此，它們被忽略。
結合與重排上式(1)得到：
藉由設定R1=KR2及R3=KR4(K為可以修改的常數)，具有VDUT的項被刪除，則公式(2)可以簡化成為：
及
其中對於脈衝的”高”部份，Vin=Vp及對於脈衝的”低”部份Vin=Vn，及
除了補償電壓所引入的誤差之外，所需電流脈衝係藉由將DACp與DACn分別設定為Vp=IpRnet及Vn=InRnet加以取得。為了評估電流源的準確性，最差情況誤差δ max將被定義為：
其中Voff(max)為在整個操作範圍(主要在溫度)下的(,)的最大可能補償值。在最大誤差與想要電流間的比例提供脈衝電流源的準確度的保守量規：
此相對誤差可以為低電流的限制。然而，量測典型係執行在控制環境下，其中，環境溫度只相對設定室溫改變幾度。這促成使用校正、預測試補償量測及常見校正演算法下，幾乎完全免除該誤差。
只要電容C1與Cpar被限定為很低的值，該電路將不會完整。對於連接以抑制高頻振盪的C1而言，這並不是真的限制，因為其藉由只增加脈衝上升與下降時間幾奈秒，即能有效地操作。
另一方面，Cpar則造成真正的挑戰，因為其總和值可能到達50pF或更多(封裝DUT、印刷電路板電
容、及佈局的組合)。例如，當RDUT=1k歐姆與Cpar=50p法拉時，所得時間常數RDUTCpar為50奈秒(5×10-8秒)，這使得低電流脈衝短於250奈秒實際上不可能。
解決方案涉及一分開充電升壓器。不像使用分立(及可能退化)電晶體與相對複雜電路的美國專利第6,249,137號案，依據一實施例，提供如圖3所示之充電升壓器電路200。該方法係根據“平衡衰減器”概念，其針對於消除例如脈衝的上升與下降的陡峭變化期間的過衝與欠衝。如以下所詳細討論，充電升壓器電路200具有輸入電壓信號Vbp及Vbn，其係被兩個DAC(DACbp220及DACbn230)所數位轉換至類比的信號，及充電升壓器電路200將其輸出信號返回至RDUT的頂部(在圖2中標示為“VDUT”)。類似於OPA1 140與OPA2 150(圖2)，在充電升壓器電路200中之運算放大器OPA3 260係足夠快，以在所需脈衝重覆率下，適當地操作。
如於圖3所示，充電升壓器電路200係為兩個DAC(DACbp220及DACbn230)與4：1類比多工器(M2)210的組合，類似於圖2所示之概念電流源所驅動。相同輸入選擇線係用於M1 110與M2210兩者，但兩對DAC(120、130與220、230)係無關的，表示至OPA1140的反相輸入(Vin)的輸入信號與至OPA3260的非反相輸入(Vinb)的輸入信號係同步，但其電壓位準係無關的。充電升壓器電路200的輸出電壓(即，OPA3260的輸出)係經由電容C2270耦接至DUT(VDUT)，如圖4
所示。
表示脈衝的上升或下降(轉換)後的時間t=0+並忽略OPA2150與OPA3260的補償電壓與輸入電流，就在轉換後的電流經由電容C2270與Cpar160的電流滿足以下關係式：
一旦轉換完成(t>0+)，則依據上式(4)電流只流經電阻。忽略補償及應用依據公式(6)的DUT電壓的改變間的相等性及依據公式(4)的兩“穩定”DUT位準間之差，公式(7a)表示由低(n)至高(p)的轉換及公式(7b)表示由高(p)至低(n)的轉換：
公式(7a)及(7b)類似於基本(被動)平衡衰減器狀況，其中，轉換係由經由電容耦合的電荷分佈所主宰，而“穩定狀態”係由來自電流源的流經RDUT的電流所決定。K、R6、R7及C2的值係以最大速度、最小雜訊及最佳穩定度的角度，最佳化用於最佳電路效能。組合電路300(電流源100與升壓器200)的實施例係被顯示於圖4。
圖5為提供脈衝電流至待測裝置(DUT)的方法500的流程圖。在步驟510中，多數不同電壓位準係為DAC所提供給在脈衝電流測試電路中的多工器的多數輸入終端。在步驟520中，電壓脈衝係藉由使用多工器的輸入選擇線的輸入選擇組合，以決定多工器的哪些輸入終端係被連接至該多工器的輸出，而由選擇電壓位準產生電壓脈衝。多工器的輸入選擇組合係以用於多工器的任何過渡位址值造成多工器的輸出的單調變化的方式加以執行，及電壓脈衝係為多工器的輸出。在步驟530中，電壓脈衝然後使用多數電阻、運算放大器及電容被轉換為電流脈衝。方法500可以更包含步驟540及550。在步驟540中，連接至脈衝電流測試電路的充電升壓器電路係用以最小化在電流位準轉換期間的過衝與欠衝。充電升壓器電路係為兩個DAC的組合所驅動，該兩個DAC提供多數不同電壓位準給在充電升壓器電路中的多工器的多數輸入終端，該充電升壓器電路更包含運算放大器、多數電阻與一電容。至該脈衝電流測試電路的運算放大器的反相輸入的信號與至該充電升壓器電路的運算放大器的非反相輸入的輸入信號被同步化，但其電壓位準無關，因為兩多工器係由相同輸入選擇線饋入，但兩對DAC(一對在脈衝電流測試電路及另一對在充電升壓器電路)係無關。在步驟550中，儲存在電容中之電荷被允許以穩定，使得電流只流經電阻。
即時電腦可以用以控制於此所述之電路。依
據一實施例，第一步驟為藉由將DACp設定至Vp及DACn設定至Vn及將類比多工器M1與M2的輸入選擇終端固定，而將電流源設定至DC位準Ip與In，因此，一直到升壓器開關斷開(即，將升壓器自DUT斷開)。所得DC電壓位準(為Vp與Vn所驅動的VDUT)然後自其個別鋒值檢測器取得並儲存作參考(以下稱“Vpdc”與“Vndc”)。再者，DACbp係被設定為較所需足夠低的位準及DACbn係被設定為較所需足夠高的位準，確保欠衝而不是過衝。S1然後接通及M1與M2的輸入選擇終端然後以所需波形啟動。隨後，峰值檢測器讀值被取得(Vpp，Vnn)並分別與Vpdc與Vpdc作比較。在｜Vpp<｜V pdc ｜與｜Vnn<｜V ndc ｜的可能情況下，需要更多升壓。增加升壓動作係藉由改變Vbp與Vbn直到所得峰值檢測器讀值剛分別超過Vpdc與Vndc加以取得。在此點，升壓動作被漸進地下降並且該程序係以收斂的方式重覆至一點，該點處任何進一步改變均有可忽略作用。對於足夠長脈衝，VDUT將逐漸“收斂”至適當位準Vpdc與Vndc，即使沒有升壓；然而，因為相關時間常數長於短脈衝(典型，對於脈衝寬度<500奈秒)，此“收斂”提供很少的協助並且因此需要足夠的升壓。注意的是，用於以上遞迴(即增加與降低升壓動作)的實際演算法與本發明無關，因為，這是有關於有效的收斂。事實上，例如二進制搜尋(當可應用時)是有效的，但本發明並不限於一特定演算法或另一演算法。
雖然只有幾個實施例被詳細說明，但應了解
的是，本發明可以在不脫離本發明範圍下以很多其他方式加以實行。針對以上所述，明顯地，本案實施例只作例示性並非限制性，本發明並不限於於此所給定的細，而是可以在隨附的申請專利範圍與等效範圍內作修改。
100‧‧‧脈衝電流測試電路
200‧‧‧充電升壓器電路
300‧‧‧組合電路
Claims (19)
- 一種用以施加電流脈衝至待測裝置(DUT)的測試電路，該測試電路包含：第一多工器，其輸出類比電壓脈衝，該第一多工器能產生雙極與單極電壓脈衝兩者；及至少一運算放大器與電阻，其接收來自該第一多工器的所述電壓脈衝並將所述電壓脈衝轉換為電流脈衝，其中運算放大器輸出電流脈衝，其中所述電流脈衝係取決於所述至少一運算放大器與電阻是接收雙極或單極電壓脈衝而為雙極或單極電流脈衝。
- 如申請專利範圍第1項之測試電路，更包含充電升壓器電路，用以最小化在電流位準間轉換期間的過衝(overshoot)與欠衝(undershoot)，其中該充電升壓器電路包含至少一運算放大器與多數電阻。
- 如申請專利範圍第2項之測試電路，其中該充電升壓器電路自第二多工器接收電壓脈衝，其中來自該第二多工器的所述電壓脈衝係與自該第一多工器接收的所述電壓脈衝同步但無關，以及，該充電升壓器電路將其輸出配送至該DUT，其中該DUT係定位於地端與所述電流脈衝的輸出之間。
- 如申請專利範圍第3項之測試電路，其中該第一與該第二多工器具有相同輸入選擇線。
- 如申請專利範圍第1項之測試電路，其中該第一多工器具有較電壓位準少一條的輸入選擇線提供給其輸入終 端。
- 如申請專利範圍第5項之測試電路，其中該第一多工器具有三個電壓位準提供給四個輸入終端。
- 如申請專利範圍第6項之測試電路，其中中間電壓位準係以用於該第一多工器的輸入選擇組合的過渡位址加以選擇，其中該輸入選擇組合包含指定給所述輸入選擇線的位址值。
- 如申請專利範圍第5項之測試電路，其中在由最高電壓轉換至中間電壓或由最低電壓轉換至中間電壓的期間，只有一輸入選擇位址線改變。
- 如申請專利範圍第1項之測試電路，其中該多工器由分立電壓產生類比信號。
- 如申請專利範圍第1項之測試電路，其中至少兩運算放大器與五個電阻自該第一多工器接收所述電壓脈衝並將所述電壓脈衝轉換為電流脈衝。
- 一種提供脈衝電流至待測裝置(DUT)的方法，該方法包含：提供多數不同電壓位準給第一多工器的多數輸入終端；藉由使用該第一多工器的輸入選擇線的輸入選擇組合，以決定該第一多工器的所述輸入終端的哪些係連接至該第一多工器的輸出，而由選擇電壓位準產生電壓脈衝，其中該第一多工器的輸入選擇組合係藉由將位址值指定給該第一多工器的輸入選擇線，使得任何過渡位址值造成該 第一多工器的該輸出的單調變化而加以執行，其中該第一多工器的該輸出包含電壓脈衝；及使用多數電阻、運算放大器與電容，將所述電壓脈衝轉換為電流脈衝。
- 如申請專利範圍第11項之方法，其中轉換更包含：使用充電升壓器電路，以最小化過衝與欠衝，該充電升壓器電路包含運算放大器、多數電阻與一電容。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中使用該充電升壓器電路包含提供第二多工器，其接收多數電壓位準，其係與提供給該第一多工器的所述電壓位準無關。
- 如申請專利範圍第13項之方法，其中使用該充電升壓器電路更包含允許儲存於該電容中的電荷穩定，使得電流只流經電阻。
- 一種能夠提供單極與雙極電流脈衝的單一電路，該電路包含：多工器，其接收至少一正電壓信號與至少一負電壓信號，其中該多工器能由其所接收的所述電壓信號產生雙極與單極電壓脈衝兩者；及至少一運算放大器與電阻，其自該多工器接收所述電壓脈衝並將所述電壓脈衝轉換為電流脈衝，其中運算放大器取決於該至少一運算放大器與電阻接收雙極電壓脈衝或是單極電壓脈衝而輸出雙極或單極電流脈衝。
- 如申請專利範圍第15項之電路，其中至少兩運算 放大器與五個電阻接收來自該多工器的所述電壓脈衝並將所述電壓脈衝轉換為電流脈衝。
- 一種施加電流脈衝至待測裝置(DUT)的測試電路，該測試電路包含：第一多工器，其輸出類比電壓脈衝，該第一多工器能產生雙極與單極電壓脈衝兩者；至少一運算放大器與電阻，其接收來自該第一多工器的所述電壓脈衝並將所述電壓脈衝轉換為電流脈衝，其中運算放大器輸出電流脈衝，其中所述電流脈衝取決於該至少一運算放大器與電阻接收雙極或是單極電壓脈衝，而為雙極或單極電流脈衝；及充電升壓器電路，用以最小化在電流位準轉換期間的過衝與欠衝，其中該充電升壓器電路包含至少一運算放大器、多數電阻、及一電容。
- 如申請專利範圍第17項之測試電路，其中該充電升壓器電路更包含第二多工器，接收電壓信號並輸出電壓脈衝，其中所述第一與第二多工器具有相同輸入選擇線。
- 如申請專利範圍第17項之測試電路，其中該充電升壓器電路的該輸出係被配送至該DUT。
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