DE69223786T2 - Strommessanordnung zum Testen von integrierten Schaltungen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strommeßanordnung zum Testen integrierter Schaltungen.
• Integrierte Schaltungen werden in verschiedenen Stufen im Lauf der Fertigung getestet, wobei die Tests ein Wafer-Testen (oft als EWS - elektrisches Wafer-Sortieren bezeichnet) umfassen, bei dem der gesamte Wafer (Halbleiterscheibe, in die verschiedene Vorrichtungen integriert sind) getestet wird, bevor die Chips separiert werden; sowie ein Endtesten der separierten Chips, die in jeweiligen Verpackungen montiert sind.
• Im Fall von integrierten Leistungsschaltungen umfaßt der Wafer-Test u.a. das Messen verschiedener hoher Ströme, welche anschließend auf ähnliche Ströme bezogen werden, die in der Endteststufe gemessen werden. Ein typisches Beispiel ist die Messung des Stromwertes, der die Strombegrenzungsschaltung triggert, mit der die Leistungsstufen normalerweise versehen sind.
• Die obige Messung ist kritisch, und zwar sowohl hinsichtlich des Einprägens des Stroms als auch hinsichtlich der Aufnahme der Meßdaten, aufgrund der hochenergetischen Spannungsspitzen ("Spikes"), welche durch hohe Ströme in Gegenwart einer parasitischen Induktivität erzeugt werden, welche durch die Meßvorrichtungen verursacht wird. Weiterhin unterliegen die Anschlußfleck-Sensoren bei den beteiligten hohen Strompegeln einem drastischen Verschleiß, was in einem schrittweisen Altern der Messung mit der Zeit resultiert; und schließlich begegnet man Problemen beim Inbezugsetzen der Wafer- und Endtestmessungen aufgrund unterschiedlicher Leistungsdissipationsbedingungen.
• Zur Reduzierung des kritischen Verhaltens der Messung und damit zur Überwindung der vorhererwähnten Nachteile besteht eine bekannte Praxis beim Wafer-Testen in der Messung eines Stroms, der geringer als der normale Betriebsstrom ist, aber mit diesen in Zusammenhang steht. Zur Demonstration dieses Ansatzes zeigt Figur 1 eine bekannte Lösung bezüglich einer Leistungsstufe mit einer Gleichstrom-Begrenzungsschaltung (die folgende Betrachtung gilt ebenfalls für andere Lösungen mit Schalter-betriebenen Begrenzungsschaltungen, da beide Typen auf einer Strom-/Spannungs-Wandlung durch einen kalibrierten Widerstand zum Erzeugen einer Spannung proportional zum Strom durch die Leistungsstufe basieren).
• In Figur 1 sind sowohl die Leistungsstufe als auch die Begrenzungsschaltung schematisch dargestellt. Insbesondere ist die Leistungsstufe, die insgesamt mit 1 bezeichnet ist und einen Teil der integrierten Schaltung 1a bildet, durch einen Leistungs-MOS-Transistor 2 dargestellt, welcher am Drain-Anschluß durch eine Stromquelle 3 versorgt wird; und die Begrenzungsstufe, die mit 4 bezeichnet ist, umfaßt einen Operationsverstärker 5, dessen Ausgang mit dem Drain-Anschluß des Transistors 2 verbunden ist (zum Begrenzen des dem Transistor 2 zugeführten Stroms), und dessen zwei Eingänge mit den zwei Anschlüssen eines Erfassungswiderstands 6 verbunden sind, der in Reihe zum Source-Anschluß des Transistors 2 geschaltet ist. Insbesondere ist der negative Eingang des Verstärkers 5 mit dem gemeinsamen Knoten zwischen dem Drain-Anschluß des Transistors 2 und einem ersten Anschluß des Widerstands 6 angeschlossen; und der positive Eingang des Verstärkers 5 ist mit dem anderen Anschluß des Widerstands 6 über eine Spannungsquelle 7 zum Zuführen einer Spannung VR verbunden.
• Der Widerstand 6 der Begrenzungsschaltung 4 besteht normalerweise aus einem Metallstreifen geeigneter Größe und weist einen genau bekannten Widerstandswert RS auf, der normalerweise zwischen einigen zehn und einigen hundert mΩ liegt, zum Reduzieren von sowohl der Leistungsdissipation als auch dem Spannungsabfall in Reihe mit der Leistungsstufe, so daß der Spannungsabfall V&sub1; an den Anschlüssen des Widerstands 6 im allgemeinen höchstens von der Größenordnung einiger hundert mV ist.
• In der Schaltung von Figur 1 wird die Begrenzungsstufe 4 betrieben, wenn V&sub1; VR, d.h. wenn der Strom ¹L durch den Transistor 2 (und dementsprechend durch den Widerstand 6) die Gleichung erfüllt:
• IL = VR/RS (1)
• Eine Technik zum Bestimmen des Betriebs der Begrenzungsschaltung bei weniger als dem Nominalstrom (während des Normalbetriebs der integrierten Schaltung) besteht im Reduzieren der Spannung VR, die durch die Quelle 7 an der Wafer-Teststufe zugeführt wird, wie es z.B. aus der US-A-3,772,595 bekannt ist. Solch eine Reduzierung, welche auf verschiedene Arten und Weisen erzielt werden kann (nicht hier beschrieben, da dies keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt), bietet einige grundlegende Nachteile, denn sie beeinflußt eine korrekte Korrelation der Wafer- und Endtestmessungen und resultiert somit in Problemen hinsichtlich der elektrischen Ausbeute.
• Das Hauptproblem, das durch den obigen Ansatz auferlegt wird, betrifft den Spannungsversatz des Operationsverstärkers 5. Tatsächlich muß zum Erhalten eines Grenzstroms zum Wafer-Testen, der um beispielsweise einen Skalierungsfaktor 10 in Bezug auf den Nominalwert reduziert ist, VR entsprechend (1) ebenfalls um denselben Skalierungsfaktor reduziert werden, um Werte in der Größenordnung von etwa 10 mV zu erhalten. Da die Operationsverstärker, die normalerweise für solche Anwendungen verwendet werden, einen Versatz von 1-2 mV aufweisen, resultiert daraus eine übermäßig große Meßstreuung von 10 bis 20 % , so daß der obige bekannte Ansatz nur im Fall sehr geringer Skalierungsfaktoren durchführbar ist, was die zu erlangenden Vorteile reduziert.
• Darüberhinaus nimmt die Messungs-Wiederholbarkeit ab, wenn der VR-Reduzierungsfaktor ansteigt, weil eine Reduzierung von VR eine Ungenauigkeit aufgrund von Rauschen hervorhebt.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Strommeßanordnung zum Testen integrierter Schaltungen zu schaffen, die dermaßen gestaltet ist, daß sie die vorher erwähnten Nachteile überwindet, die typischerweise mit bekannten Lösungen verbunden sind, und die ein hinreichend zuverlässiges, genaues Testen und Korrelieren zur Bestimmung der Wirksamkeit der integrierten Schaltung ermöglicht.
• Erfindungsgemäß ist eine Strommeßanordnung zum Testen integrierter Schaltungen, wie in Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 definiert, geschaffen.
• Daher wird anstelle der Reduzierung des Spannungsabfalls, bei der die Begrenzungsschaltung aktiviert wird, der Strom-/Spannungs-Umwandlungswiderstand mittels eines resistiven Elements erhöht, das in der integrierten Schaltung ausgebildet ist und mit dem Strom-/Spannungs-Widerstand in Reihe verbunden ist und welches während des Testens aktiviert wird.
• Eine bevorzugte, nicht beschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beispielshalber mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
• Es zeigen:
• Figur 1 einen vereinfachten Stromlaufplan einer Leistungsstufe mit einer bekannten Strombegrenzungsschaltung;
• Figur 2 einen äquivalenten Stromlaufplan der strukturgemäß der vorliegenden Erfindung, angewendet auf die bekannte Begrenzungsschaltung; und
• Figur 3 eine ebene Oberansicht der Struktur von Figur 2 in implementierter Form.
• Wie in Figur 2 gezeigt, in der jegliche Teile, die ähnlich wie die in Figur 1 sind, unter Benutzung desselben Nummerierungssystems angezeigt sind, ist der positive Eingang eines Operationsverstärkers 5 wiederum mit einem Anschluß 6a eines Erfassungswiderstands 6 verbunden, während der negative Eingang mit dem anderen Anschluß 6b des Widerstands 6 über einen zweiten Widerstand 10 verbunden ist, der ebenfalls als Erfassungswiderstand zum Wafer-Testen bezeichnet wird und einen Widerstandswert RS1 aufweist. Der Anschluß 6a des Erfassungswiderstands 6 ist ebenfalls mit dem Drain-Anschluß des Transistors 2 verbunden, während der Anschluß 6b mit dem Eingangsanschluß 12 der integrierten Schaltung verbunden ist. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 5, der mit dem Anschluß 10a des Widerstands 10 verbunden ist, ist ebenfalls mit einem zweiten Eingangsanschluß 13 der integrierten Schaltung verbunden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Widerstände 6 und 10 in derselben integrierten Schaltung 1a integriert und zusammenhängend unter Benutzung dergleichen Technologie gebildet, wie detailliert in Figur 3 gezeigt ist, welche einen Metallstreifen 15 auf dem Substrat 16 zeigt, in dem die Schaltung 1a, und insbesondere der Transistor 2 und der Operationsverstärker 5 (nur schematisch gezeigt), integriert sind. Ein Abschnitt des Streifens 15 bildet den Erfassungswiderstand 6 der Begrenzungsschaltung 4; und der Streifen 15 ist an einem Ende mit dem Drain-Anschluß des Transistors 2 (wie schematisch dargestellt) und am anderen Ende mit einem Anschlußfleck 17 verbunden, welcher einen Eingangsanschluß 12 definiert und auf dem eine Sonde (nicht gezeigt) zum Messen des Stroms IL2 durch den Transistor 2 in der Endteststufe angebracht wird.
• Vom Ende des Metallstreifens 16, das mit dem Anschlußfleck 17 (Anschluß 6b) verbunden ist, erstreckt sich ein weiterer Metallstreifen 18 geeigneter Größe, von dem ein Abschnitt einen Erfassungswiderstand 10 zum Wafer-Testen definiert. Der Metallstreifen 18 endet an einem zweiten Anschlußfleck 19, der kleiner als der Anschlußfleck 17 ist und einen Eingangsanschluß 13 definiert, an den eine Sonde zum Messen des Strom IL1 durch den Transistor 2 in der Wafer-Teststufe angebracht wird. Der Wafer-Test-Anschlußfleck 19 ist ebenfalls durch eine Metallverbindungsleitung 20 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 5 (nur schematisch gezeigt) verbunden, dessen positiver Eingang mit dem Metallstreifen 18 durch die Metallverbindungsleitung 21 und über die Spannungsquelle 7 (nur schematisch gezeigt) verbunden ist.
• In der integrierten Schaltung bietet der Widerstand 10 drei Funktionen: Beim Wafer-Testen dient er als Erfassungswiderstand zum Erfassen des Stroms durch den Transistor 2; in anderen Situationen dient er zum Modulieren des Stroms durch den Anschluß 12; und in allen weiteren Situationen dient er einfach zur Verbindung des negativen Eingangs des Operationsverstärkers 5 mit dem Widerstand 6. Im ersten Fall (beim Wafer- Testen) ist der Anschlußfleck 19 mit einer Meßprobe verbunden; im zweiten Fall ist der Anschlußfleck 19 mit geeigneten Schaltungselementen verbunden (zum Zuführen eines variablen Stroms), um den Wert des Stroms durch den Widerstand 6 zu beeinflussen; und im dritten Fall bleibt der Anschlußfleck 19 schwebend. Beim Wafer-Testen fließt deshalb der Strom IL1 durch den Transistor 2 und den Anschluß 13 durch beide Widerstände 6 und 10, und die Eingriffsbedingung der Begrenzungsschleife entspricht einem Stromwert IL1 von:
• IL1 = VR/RS+RS1) (2)
• wie in Figur 2 gezeigt. Beim Endtesten andererseits wird der Anschluß 13 schwebend gelassen; kein anderer Strom als der vernachlässigbare Eingangsstrom des Operationsverstärkers 5 fließt durch den Widerstand 10; die für das Testen erforderliche Strom-/Spannungs-Umwandlung wird allein durch den Widerstand 6 durchgeführt; und die Eingriffsbedingung der Begrenzungsschleife wird erreicht, wenn der Strom durch den Transistor 2 der am Anschluß 12 gemessen wird, folgenden Wert aufweist:
• IL2 = VR/RS (3)
• Als solches ist das Verhältnis zwischen den nominellen Eingriffsströmen, die jeweils in der End- und Waferteststufe gemessen werden, durch folgenden Skalierungsfaktor K bestimmt:
• K = IL2/IL1 = (RS+RS1)/RS
• der durch Vorsehen von RS1 in geeigneter Größe leicht zu Erzielung von Skalierungsfaktoren mit einer Größe von 10 bis 15 beiträgt.
• Die Vorteile der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung erscheinen aus der vorhergehenden Beschreibung klar. Insbesondere sorgt sie für ein Erreichen eines Skalierungsfaktors, der für den speziellen, in Frage stehenden Zweck ausreicht, und eliminiert somit jegliche Nachteile, die durch vergleichbare Strommessungen in der Wafer-Endteststufe auferlegt werden, und reduziert somit das kritische Verhalten der Messung und den Verschleiß der Sonden und bietet eine verbesserte Korrelation. Was die Korrelation betrifft, ist sie insbesondere deshalb extrem gut, da sie nur vom Typ und der Wiederholbarkeit des Herstellungsverfahrens abhängt und insbesondere von der Anpassung der Widerstände 6 und 10. Die Bildung der Widerstände in zusammenhängender Weise und in dergleichen Herstellungsstufe bietet deshalb eine exzellente Anpassung, ohne daß besondere elektrische oder Layout- betreffende Vorkehrungen erforderlich sind. In der tatsächlichen Praxis wurde sogar für hohe Skalierungsfaktoren (10 bis 15) eine Fehlanpassung zu etwa einigen wenigen Prozent abgeschätzt, und zwar hauptsächlich auf phototechnischen Gründen.
• Die Herstellung der Struktur und der betreffenden Schaltungen ist deshalb einfach und ökonomisch, da sie keine spezielle Maschinerie oder Technologie mit sich bringt.
• Letztlich kann die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung für zusätzliche Funktionen während des Normalbetriebs der Schaltung verwendet werden, in der sie integriert ist, z.B. zum Modulieren der Stromversorgung an den Anschluß 12, wie bereits erwähnt.
• Die Fachleute werden verstehen, daß Änderungen an der beschriebenen und hier veranschaulichten Struktur durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der Patentansprüche abzuweichen.

Claims (11)

1. Strommeßanordnung zum Testen integrierter Schaltungen, wobei die Anordnung einen Stromsensor mit einem elektrischen Widerstand, durch den der zu messende Strom zugeführt wird, sowie eine Strommeßeinrichtung (5), die mit dem Sensor verbunden ist und ein elektrisches Signal bezüglich des Stroms erzeugt, aufweist; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 12, 13) zum Verändern des elektrischen Widerstandes des Sensors, welche in diesem integriert ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand des Sensors ein erstes Widerstandselement (6) aufweist; und daß die Veränderungseinrichtung ein zweites Widerstandselement (10) aufweist, das in Reihe mit dem ersten Widerstandselement (6) geschaltet ist; und daß eine Einrichtung (12) zum Umgehen des zweiten Widerstandselements (10) unter vorbestimmten Betriebsbedingungen vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Widerstandselement (6, 10) jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluß (6a, 6b, 10a) aufweisen, wobei die ersten Anschlüsse (6b) des ersten und zweiten Widerstandselements miteinander verbunden sind; und daß die Umgehungseinrichtung ein erstes Kontaktelement (12, 17) aufweist, das mit den ersten Anschlüssen (6b) des ersten und zweiten Widerstandselements verbunden ist; sowie ein zweites Kontaktelement (13, 19), das mit dem zweiten Anschluß (6b) des zweiten Widerstandselements verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Widerstandselement (6, 10) jeweils aus einem jeweiligen Streifen von Widerstandsmaterial (15, 18) mit einem ersten und einem zweiten Ende entsprechend dem ersten und zweiten Anschluß (6b, 10a) gebildet sind; wobei die ersten Enden der Streifen des Widerstandsmaterials (15, 18) zusammenhängen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen aus Widerstandsmaterial Metallstreifen (15, 18) auf einem Substrat (16) aus Halbleitermaterial aufweisen, und daß die ersten und zweiten Kontaktelemente jeweils einen jeweiligen Anschlußfleck (17, 19) aufweisen.

6. Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (15, 18) auf einer einzelnen Schicht aus Metallmaterial gebildet sind.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (5) einen ersten und einen zweiten Eingang aufweist, die mit einem jeweiligen zweiten Anschluß (6a, 10a) der Widerstandselemente (6, 10) verbunden sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Operationsverstärker (5) aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungseinrichtung einen Eingangsanschluß (13) zum Empfangen eines elektrischen Steuersignals zum Modulieren des zu messenden Stroms aufweist.

10. Integrierte Schaltung (1a) mit einer Komponente (2), die mit einem zu messenden Strom versorgt wird; einem Stromsensor (6) einschließlich eines ersten Widerstandselements, das mit dem zu messenden Strom versorgt wird; und einem Operationsverstärkerelement (5), das mit dem Stromsensor verbunden ist und ein Ausgangssignal bezüglich des Stroms erzeugt; dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Widerstandselement (10) vorgesehen ist, das mit dem Restwiderstandselement (6) in Reihe geschaltet ist; wobei das erste und zweite Widerstandselement (6, 10) einen ersten gemeinsamen Anschluß (6b) und einen zweiten und dritten Anschluß (6a, 10a) aufweisen; wobei der zweite Anschluß (6b) mit der Komponente (2) verbunden ist; und wobei der zweite und dritte Anschluß (6a, 10a) mit jeweiligen Eingängen des Operationsverstärkerelements (5) verbunden sind; und daß sie einen ersten und zweiten Stromeinprägeanschluß (12, 13) aufweist, die jeweils mit dem gemeinsamen Anschluß (6b) und mit dem dritten Anschluß (10a) verbunden sind.

11. Verwendung der Strommeßanordnung nach Anspruch 1 zum Modulieren des zu messenden Stroms