CMOS集成電路潛在缺陷的最小電壓檢測(cè)

引 言

有潛在缺陷的芯片有可能通過生產(chǎn)測(cè)試，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻會(huì)引起早期失效的問題，進(jìn)而引起質(zhì)量問題。為了避免這個(gè)問題，就需要在產(chǎn)品賣給客戶之前檢測(cè)出這種有問題的芯片。一般的檢測(cè)技術(shù)包括Burn—in、IDDQ測(cè)試、高壓測(cè)試和低壓測(cè)試等。Burn—in是一種有效的也是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)試技術(shù)，但是 Burn—in的硬件設(shè)備相當(dāng)昂貴，而且測(cè)試時(shí)間也比較長，從而間接地增加了產(chǎn)品的成本。IDDQ測(cè)試對(duì)于大規(guī)模集成電路，特別是亞微米電路效果不理想，主要是由于隨著電路規(guī)模的增加和尺寸的減少，暗電流也會(huì)增加。高壓檢測(cè)對(duì)電路中的異物連接，如金屬短路，也沒有很好的效果，甚至有時(shí)會(huì)掩蓋此類缺陷。在遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行電壓的環(huán)境下，正常芯片和有缺陷的芯片有著不同的電性表現(xiàn)，因此可以根據(jù)正常芯片的數(shù)據(jù)設(shè)置最小電壓，根據(jù)此數(shù)值來判斷芯片是否合格。

以下將具體介紹最小電壓(MINVDD)測(cè)試方法。

1 合格芯片的最小電壓

CMOS電路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)依靠正常的電壓供給。在正常的范圍內(nèi)，電壓供給越高，電路就會(huì)運(yùn)行得越快；同樣，電壓供給越低，電路就會(huì)運(yùn)行得越慢。如果電壓足夠低，電路就會(huì)輸出錯(cuò)誤信號(hào)或者停止運(yùn)行。最小電壓就是電路能夠輸出正確邏輯值的電壓臨界值。

圖1是O．7μm技術(shù)制造的芯片的電壓與延遲的關(guān)系曲線圖。正常的電源電壓是5 V，當(dāng)電壓降低時(shí)，芯片運(yùn)行的延遲就相應(yīng)地增加。當(dāng)電壓低于1．24 V時(shí)，芯片就不能輸出正確的邏輯數(shù)值。因此這種芯片的最小電壓值就是1．24 V。

2 有缺陷芯片的最小電壓

不合格芯片的缺陷類型主要有：金屬污染物造成的短路，氧化物污染物造成的短路，閾值電壓偏移，電性通道開路。本文主要針對(duì)在實(shí)際生產(chǎn)中具有代表性的金屬污染物造成的短路、閾值電壓偏移和電性通道開路來做最小電壓測(cè)試的研究。

2．1 金屬性短路

金屬性短路是在封裝前隨機(jī)地沾染到金屬微粒，從而在電路節(jié)點(diǎn)處造成的短路。圖2是一個(gè)典型的金屬性短路的模型?？梢钥吹健產(chǎn)’與‘b’之間的金屬微粒造成了 2條電路之間的短路，并假設(shè)該金屬微粒的電阻是Rm，INl口輸入邏輯“0”，IN2口輸入邏輯“1”。如圖2所示，電流的路徑由X1中的PMOS，金屬微粒，X3中的NMOS電路組成，因此，a、b之間的電壓值就不是VDD與GND之間的電壓，而是介于兩者之間的一個(gè)值。

假設(shè)PMOS的電阻是R1，NMOS電阻是R3。R1、R3、Rs就組成了一個(gè)分壓串聯(lián)電路，則a處的電壓可以表示成：

當(dāng)電源電壓變小時(shí)，由于R1和R3增大，V(a)會(huì)隨之下降。因此從輸入INl到OUTl之間的延遲會(huì)由于反相器X2延遲的增加而增加。當(dāng)電源電壓降到一定數(shù)值時(shí)，V(a)就會(huì)低于X2的門限電壓，輸出邏輯“1”，而正確的輸出結(jié)果應(yīng)該是邏輯“0”，在這個(gè)電壓值處，電路的功能就開始發(fā)生錯(cuò)誤。這點(diǎn)電壓就是最小電壓值，也就是判斷芯片是否具有金屬性缺陷的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)。

表1列出了當(dāng)金屬微粒的電阻不同時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最小電壓值。合格芯片的最小電壓值是O．45 V，當(dāng)Rs小于3kΩ時(shí)，電路在正常的電源電壓(實(shí)驗(yàn)中為1．8 V)下就會(huì)失效；當(dāng)Rs的范圍在3 kΩ到10 kΩ時(shí)，最小電壓值逐步遞減，但是仍然遠(yuǎn)高于O．45 V。

2．2 閾值電壓的偏移

如果一個(gè)晶體管有一個(gè)很大的閾值電壓偏移，那它的跨導(dǎo)將會(huì)很小。因此晶體管的驅(qū)動(dòng)能力就會(huì)很低，繼而在周期轉(zhuǎn)化中會(huì)有更多的額外延遲。下面將會(huì)初步研究由閾值電壓偏移所引起的最小電壓的變化。

最小電壓的另一個(gè)定義就是使得芯片狀態(tài)轉(zhuǎn)換無限延遲的臨界電壓。上面的公式中，CL是寄生電容，Cα是感生電容，W／L是柵級(jí)與源漏極的尺寸比，VDD是電源電壓，Vt是芯片正常運(yùn)行的最小電壓，△V是閾值電壓偏移量。式(1)是CMOS門電路的延遲計(jì)算公式。根據(jù)式(1)，當(dāng)VDD=Vt時(shí)，電路的延遲會(huì)無限大，因此合格芯片的最小電壓就是處于Vt的臨界值。當(dāng)閾值電壓有一定偏移△V時(shí)，延遲計(jì)算公式如式(2)所示，當(dāng)VDD=Vt+△V時(shí)，延遲將會(huì)無限大。因此可見，由于閾值電壓偏移的存在，芯片的最小電壓增加了，偏移量越大，最小電壓增加量就越大。

2．3 電性通道開路的最小電壓

電性通道開路是不正常厚度的氧化層所引起的電流的流動(dòng)。當(dāng)氧化層厚度由于工藝或者隨機(jī)原因變薄，并超出了正常的標(biāo)準(zhǔn)范圍，就會(huì)引起電流穿透氧化層流入到其他的電路層。當(dāng)此電流達(dá)到一定程度的時(shí)候就會(huì)引起芯片的不正常工作狀態(tài)。然而在產(chǎn)品測(cè)試?yán)?，具有這種缺陷的芯片的表現(xiàn)卻與合格芯片一樣，只有在環(huán)境惡劣或者使用一段時(shí)間后才會(huì)表現(xiàn)出來。圖3是合格芯片與通道開路的不合格芯片的延遲曲線圖。隨著電壓降低，有通道開路問題的芯片的延遲速度遠(yuǎn)大于正常芯片，但是它們的最小電壓值卻是一樣的，因?yàn)橥ǖ篱_路只會(huì)引起時(shí)間上的失效，而不會(huì)影響芯片的最小電壓。