Brevet FR2931946A1 — publié le 20091204

La présente invention concerne un capteur de vieillissement pour un circuit intégré de micro-électronique ou analogue. Dans notre monde moderne, différents dispositifs, unités fonctionnelles, moyens de communication, de déplacement ... qui nous entourent fonctionnent grâce à de nombreux circuits électroniques dont la plupart comportent des circuits intégrés plus ou moins complexes. Le vieillissement des circuits intégrés et des composants électroniques provient principalement d'une transformation chimique lente des connexions et jonctions internes qui de par le fonctionnement, mais aussi par les conditions physiques d'ambiance . température, humidité provoquent des oxydations parasites ou autres transformations chimiques influant sur la qualité des contacts, jonctions et zones conductrices internes. On peut citer plus précisément les quelques phénomènes suivants : . électromigration qui ne concerne que les interconnexions, . claquage d'oxydes par accumulation de charges, . augmentation de la densité d'états de surface. Ceci concerne tous les transistors isolés ou sur un substrat de circuit intégré, mais plus particulièrement ceux de la technologie CMOS: NMOS, PMOS. Ce vieillissement est plus ou moins rapide, mais il existe toujours. Il est plus ou moins prononcé selon les conditions d'utilisation et d'ambiance. Il se traduit par des variations des caractéristiques électriques des composants électroniques regroupés sur le même circuit intégré et se répercutent par conséquent sur les performances du circuit intégré qui correspond alors de moins en moins aux valeurs attendues pour lesquelles :Le montage électronique a été conçu et calculé. On subit ainsi les dérives des caractéristiques essentielles de ces composants et de ces circuits, notamment gain, offset, sensibilité, bande passante, courant de polarisation... . Ce qui conduit à un fonctionnement dégradé. Sur beaucoup d'appareils et moyens que nous utilisons fréquemment, mais aussi sur ceux qui assurent notre sécurité : dans les transports, dans le domaine médical et bien d'autres, le fonctionnement global est totalement dépendant ou fortement affecté par le bon fonctionnement des circuits électroniques et une panne de ceux-ci se répercute sur le fonctionnement d'ensemble et les conditions de sécurité. Ainsi, une surveillance constante de l'état de ces circuits permet d'éviter les pannes notamment celles relatives à la sécurité et un capteur à caractéristiques constantes permettrait non seulement de les éviter mais aussi par une correction des caractéristiques essentielles, de ne pas aboutir à un fonctionnement dégradé lié au vieillissement des circuits source de pannes plus ou moins graves. En effet, en raison de la lente dérive des caractéristiques essentielles au cours de la durée de vie d'un circuit intégré, mais aussi de celle d'un composant électronique entraînant de telles modifications, par exemple du point de fonctionnement du circuit, celles-ci se répercutent sur le fonctionnement d'ensemble de l'unité fonctionnelle et de ce fait, diverses fonctions sont mal ou plus assurées. Ainsi, il importe de connaître régulièrement l'état de vieillissement d'un circuit électronique de manière à compenser dans un premier temps, les variations et les dérives se produisant au fil du temps avant de procéder au remplacement du circuit. La présente invention a pour but de rendre compte de l'état de vieillissement d'un circuit intégré, ce qui permet de compenser les dérives liées au vieillissement et d'avertir à temps de la nécessité du remplacement du circuit intégré surveillé. Elle se rapporte à un capteur de vieillissement à implanter sur un circuit intégré caractérisé en ce qu'il est formé de deux sources de courant dont l'une est notablement plus sensible au vieillissement que l'autre, les deux courants de ces deux sources étant soumis à une sommation ou à une différenciation pour la délivrance d'une valeur variable en fonction du vieillissement, les variations de cette valeur étant surveillées pour décider de compenser les dérives dues au vieillissement ou de remplacer le circuit intégré. Utilisation du capteur: Les utilisations du capteur sont multiples. On peut l'utiliser: . en détection et en prévention pour éviter une panne, . en compensation pour équilibrer les dérives des caractéristiques, . en mesure pour déterminer l'âge effectif d'un circuit. Avantages du capteur: Le montage est simple et économique, on ne compte qu'une dizaine de transistors au total, nombre légèrement variable selon :La variante du circuit. Il permet de prévenir les pannes et d'estimer l'âge effectif d'un circuit. Domaines d'application : Les domaines d'applications sont nombreux tels que : . prévention des pannes et planification des opérations de maintenance préventive par exemple dans une chaîne de production industrielle, . application spécifique dans des domaines très sensibles qui requièrent une grande fiabilité par exemple dans les domaines du spatial, de l'aéronautique, du médical, de l'automobile ... L'intérêt global de ce circuit capteur de vieillissement réside dans la surveillance préventive pour remédier aux défauts du vieillissement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et accompagnée des dessins dans lesquels : . la figure 1 est un schéma du circuit électronique du capteur de vieillissement selon une première variante, . la figure 2 est un schéma du circuit électronique du capteur de vieillissement selon une deuxième variante, . la figure 3 est un schéma général d'un système composé de plusieurs circuits pouvant être mis en veille, à alimentation commune, présentant chacun un capteur de vieillissement, . la figure 4 est un schéma général d'un système composé de plusieurs circuits pouvant être mis en veille, à alimentation commune, présentant chacun un capteur de vieillissement commandé, . la figure 5 montre un exemple de circuit de sortie en tension. Bien que la principale application de ce capteur soit celle d'une implantation sur un substrat d'un circuit intégré pour vieillir dans les mêmes conditions que le circuit intégré, on peut l'utiliser de façon dissociée dans un circuit ou un montage. Dans sa version de base, le capteur selon l'invention est un circuit qui présente trois parties principales référencées A, B et C sur le schéma des figures 1 et 2 selon lesquelles : A : est un étage de polarisation, B : est un étage d'au moins deux sources de courant, C : est un miroir de courant. Une sortie met à disposition une valeur variable en fonction du vieillissement directement tirée par sommation ou différenciation des deux intensités des deux sources de courant. On examinera tout d'abord en détail la variante de base représentée sur la figure 1. 1. Description fonctionnelle du capteur A. Étage de polarisation A Cet étage est composé d'une résistance Rin traversée par un courant Io et de quatre transistors M1, M2, M3 et M4 montés en diode entre les deux lignes d'alimentation Vdd et Vss. Ce montage permet de générer trois niveaux constants de tension V1, V2 et V3 destinés à polariser le reste du circuit. On peut montrer que, dans ces conditions de fonctionnement, le phénomène de dégradation par porteurs chauds est faible dans les quatre transistors de cet étage. Les dérives à long terme des potentiels de polarisation peuvent donc être considérées comme négligeables. B. Etage de sources de courant B Cet étage est composé de deux sources de courant. La première source de courant est formée par le seul transistor M5. La grille de ce transistor est polarisée par la tension constante V1. Si l'on néglige les effets du vieillissement, ce transistor doit délivrer un courant constant I1. Cependant, le transistor M5 est volontairement choisi à canal étroit. Ainsi, la densité de courant est élevée dans ce transistor. De plus, le transistor M6 impose que la tension drain-source du transistor M5 soit élevée. Dans ces conditions, le phénomène des porteurs chauds est intense dans le transistor M5, ce qui a pour conséquence de provoquer une dérive rapide de ses caractéristiques. Le courant délivré par ce transistor M5 diminue donc rapidement au fur et à mesure que celui-ci se dégrade. La deuxième source de courant est composée des transistors M7 et M8. La grille du transistor M7 est également polarisée par la tension constante V1 et son rapport largeur/longueur est identique à celui du transistor M5. Si l'on néglige les effets du vieillissement, ou en l'absence de ceux-ci, le transistor M7 doit délivrer un courant constant I2 égal à I1. Contrairement à M5, le canal de ce transistor M7 est volontairement choisi large. Ainsi, bien qu'il délivre un courant I2 égal à celui délivré par M5, la densité de courant dans ce transistor M7 est beaucoup plus faible. De plus, grâce au transistor M8 monté � en cascode � (grille portée au potentiel V2), la tension drain-source de M7 est maintenue faible de sorte que le phénomène des porteurs chauds est bien moins important dans M7 que dans le transistor M5. Le courant délivré par ce transistor M7 diminue donc lentement au fur et à mesure que celui-ci se dégrade. Ainsi, lorsque le circuit est neuf, les courants I1 et 12 sont strictement identiques. Au fur et à mesure que le circuit vieilli, les deux courants I1 et 12 s'écartent de leur valeur initiale mais à des vitesses différentes, de sorte que La différence entre ces deux courants donne une mesure de l'usure du capteur, c'est-à-dire de l'usure du circuit CMOS dans lequel il est intégré. Cette usure est une des caractéristiques du vieillissement. C. Miroir de courant C Le miroir de courant formant le circuit C est composé des transistors M6, M9 et M10. Le transistor M6 est monté en diode. Ainsi, le potentiel au niveau de sa grille dépend du courant I1. Ce potentiel étant également appliqué à la grille du transistor M10 qui est strictement identique à M6 (mêmes largeur et longueur), M10 délivre un courant I'1 strictement égal à I1. Cependant, si l'on souhaite que la fonctionnalité reste parfaite même lorsque le circuit vieilli, il faut que les caractéristiques des transistors M6 et M10 varient exactement de la même manière. C'est la raison pour laquelle le transistor M9 a été ajouté. Ce transistor M9 est monté en � cascode � (grille portée au potentiel V3) et permet de maintenir le potentiel du drain de M10 à la même valeur que celui du drain de M6. Ce transistor permet de maintenir M10 dans les mêmes conditions de polarisation que M6. Le vieillissement du transistor M10 est contrôlé, de sorte que celui-ci présente constamment des caractéristiques identiques à celles de M6. Bien entendu, tout circuit équivalent à ce montage en miroir de courant, c'est-à-dire assurant la même fonction peut convenir par exemple tout montage permettant d'effectuer la différence entre I1 et I2. De façon non préférentielle, mais à titre de variante, on peut envisager également un montage sommateur qui donnera en sortie la somme des deux courants des deux sources de courant. D. La sortie La sortie peut se présenter sous différentes formes. La plus simple consiste en un noeud N de courant au moyen duquel peut être prélevé le courant dans la ligne ou une valeur proportionnelle à ce courant ou fonction de celui-ci. Ce courant Iout, selon la variante représentée, est la différence entre I1 et I2 qui constitue une variable rendant compte du vieillissement c'est-à-dire de la dérive des caractéristiques. Cette variable est utilisée en exploitation pour déterminer les actions à entreprendre en vue de la compensation des dérives dues au vieillissement ou au remplacement du circuit intégré, par exemple suite à une comparaison à une valeur de seuil. Elle peut être utilisée aussi pour mettre en oeuvre des compensations proportionnelles à cette valeur. 2. Variantes A. Signal de sortie en tension Il est souvent plus pratique pour le concepteur et l'utilisateur de circuits électroniques de disposer d'un signal en tension plutôt qu'en courant. La conversion courant-tension peut, par exemple, être effectuée à l'aide d'un amplificateur opérationnel et d'une résistance comme visible sur la figure 5. Beaucoup d'autres montages équivalents peuvent permettre une telle conversion. B. Vitesse de dérive variable Une variante du capteur de vieillissement selon l'invention, consiste à ajouter un transistor NMOS référencé MC entre les transistors M5 et M6, son drain étant connecté au drain de M6 et sa source au drain de M5. La grille de ce transistor MC constitue alors une entrée de commande Com du circuit. Par l'intermédiaire de ce transistor, on contrôle la tension drain-source du transistor M5 qui conditionne sa vitesse de dégradation. Lorsque la tension de commande est basse (proche de Vss), la tension drain-source du transistor M5 est faible et celui-ci se dégrade lentement. Inversement, lorsque la tension de commande est haute (proche de Vdd), la tension drain-source du transistor M5 est élevée et celui-ci se dégrade donc rapidement. Avec une telle variante, le capteur de vieillissement selon l'invention peut servir à évaluer précisément l'usure de n'importe quel système (pas nécessairement électronique) à partir du moment où l'on dispose d'une mesure du � stress � qu'il subit (vitesse de rotation d'un moteur, par exemple). Pour ce faire, il faut appliquer sur l'entrée de commande une tension proportionnelle au � stress �. Dans le cas particulier de l'électronique analogique, il peut s'agir d'une tension proportionnelle à la tension drain-source d'un transistor particulièrement sujet au phénomène des porteurs chauds d'un autre circuit intégré sur la même puce. Les conditions de polarisation de certains transistors pouvant varier fortement en fonction des signaux qui sont traités au sein du circuit intégré, leurs vitesses de dégradation peuvent ne pas être constantes et dépendre fortement de l'utilisation qui est faite du circuit (utilisation intensive ou occasionnelle de certaines fonctionnalités par exemple). C. Variante à plusieurs circuits et à plusieurs capteurs On a représenté sur les figures 3 et 4, des variantes à plusieurs circuits et à plusieurs capteurs. I1 s'agit de circuits séparés indépendants en fonctionnement, présentant chacun un capteur de vieillissement. Ces circuits peuvent être alimentés par une alimentation commune comme représenté ou une alimentation propre à chaque circuit. L'exemple typique est celui de circuits indépendants pouvant être mis en veille par une déconnexion schématisée à chaque fois sur les dessins par un interrupteur. Chaque capteur est implanté sur une zone d'un même circuit intégré. La figure 4 concerne la variante de la figure 2 avec le transistor supplémentaire MC et sa commande propre référencée "Com". Sur ces figures, les circuits sont désignés par sous-système 1, 2, N et les capteurs par capteur 1, 2, N et l'alimentation commune par V alim. Une flèche montre la commande Com. D. Circuit complémentaire de sortie A titre de sortie, il peut être nécessaire de transformer la sortie en courant, en sortie en tension par exemple par un montage à amplificateur opérationnel OP selon le montage représenté sur la figure 5. La conversion courant-tension est réalisée en bouclant la sortie de l'amplificateur opérationnel OP sur son entrée inversée par une résistance R, cette entrée inversée constituant également l'entrée en courant raccordée à la sortie en courant IQut du capteur de vieillissement. On applique sur l'entrée non inversée une tension de référence Vref. Bien entendu, tout circuit équivalent c'est-à-dire remplissant la même fonction peut convenir. Explication du fonctionnement Le principe de fonctionnement du capteur selon l'invention est le suivant. On génère par deux sources de courant deux courants qui dérivent de façon connue dans le temps, l'une dérivant notablement plus lentement que l'autre. On connaît l'évolution de la différence des intensités dans le temps. On place le capteur dans les mêmes conditions que le circuit intégré à surveiller en l'implantant sur le même support que le circuit intégré. On connaît son âge réel car la date de fabrication du circuit est indiquée, mais aussi grâce à l'invention son âge effectif c'est-à-dire son âge de fonctionnement correspondant à son utilisation. C'est cet âge effectif qui détermine les compensations à apporter ou la nécessité du remplacement du circuit intégré sur lequel il est monté. En mesurant la valeur de la différence des courants, et en la comparant à une valeur de seuil, on déduit la nécessité de remplacer le circuit ou l'utilité de mettre en oeuvre une compensation de la dérive due au vieillissement par exemple par ajustement du gain ou autre rattrapage de caractéristiques Concernant le détail du fonctionnement, il peut se décrire comme suit. Lorsque les transistors M8 et M9 sont en régime de saturation, les couples M7-M8 et M9-M10 se comportent tous les deux comme des sources de courant. L'une des 2931946 :11 sources impose le courant I'1 alors que l'autre draine un courant égal à 12. Le courant de sortie 'out au noeud N de courant est donc nécessairement égal à la différence I'1-I2. I'1 étant 5 égal à I1, le courant de sortie est égal à la différence entre le courant délivré par M5 qui dérive rapidement et le courant délivré par M7 qui est beaucoup plus stable dans le temps. Lorsque le circuit est neuf, ces deux courants sont identiques et le 10 courant de sortie Iout est nul. Lorsque le circuit vieilli et par conséquent se trouve dégradé, le courant résultant est négatif et son intensité donne une mesure du vieillissement qui dépend de sa durée d'utilisation effective. Pour que le circuit fonctionne correctement, 15 le courant de sortie 'out doit être collecté à l'aide d'un circuit présentant une faible impédance d'entrée. Ce circuit doit également maintenir le potentiel du noeud N de sortie dans l'intervalle de tensions permettant de garantir une polarisation correcte des 20 transistors M8 et M9. Ces deux transistors doivent donc fonctionner en régime de saturation. Emplacement(s) d'implantation du ou des capteurs On peut implanter un ou plusieurs capteurs sur le support d'un même circuit intégré afin de rendre 25 compte de variations locales différentes et par conséquent de pouvoir prévenir qu'une zone ne sera plus fonctionnelle au bout d'un certain temps. Ceci permettra de la désactiver à temps et d'éviter ainsi des dommages. 30 De façon préférentielle, le capteur est placé au plus près de l'élément le plus sujet au vieillissement pour qu'ils se trouvent tous les deux dans les mêmes conditions, notamment dans les mêmes conditions de température. 35 De façon générale, la présente invention ne dépend pas de la nature ni de la technologie des transistors utilisés ni de la polarité de leur dopage. Ainsi, en remplaçant tous les transistors NMOS par des PMOS et tous les transistors PMOS par des NMOS et en inversant les bornes d'alimentation, la même fonctionnalité est conservée. Plus généralement, les transistors peuvent être d'une autre technologie que celle des CMOS ou de dopage inverse. REVENDICATIONS1. Capteur de vieillissement à implanter sur un circuit intégré caractérisé en ce qu'il est formé de deux sources de courant dont l'une est notablement plus sensible au vieillissement que l'autre, les deux courants de ces deux sources étant soumis à une sommation ou à une différenciation pour la délivrance d'une valeur variable en fonction du vieillissement, les variations de cette valeur étant surveillées pour décider de compenser les dérives dues au vieillissement ou de remplacer le circuit intégré. 2. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'autre source est peu sensible au vieillissement. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la valeur variable est comparée en exploitation à un seuil. 4. Capteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la valeur variable est utilisée pour mettre en oeuvre des compensations proportionnelles à cette valeur. 5. Capteur de vieillissement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il se compose : . d'un étage de polarisation A pour la polarisation de tout le circuit du capteur, . d'un étage B d'au moins deux sources de courant dont une source de courant à dérive rapide, . d'un circuit C miroir de courant à vieillissement contrôlé, . d'une sortie de sommation ou de différenciation des deux courants provenant des deux sources de courant. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage de polarisation A est formé de quatre transistors M1, M2, M3 et M4 montés en diode générant trois niveaux constants de tension V1, V2 et V3 de polarisation. 7. Capteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le circuit B des deux sources de courant est formé d'une part d'un seul transistor M5 à canal étroit dans lequel la densité de courant est élevée et à tension drain-source élevée représentant la première source de courant pour provoquer une dérive rapide de ses caractéristiques et d'autre part d'une deuxième source de courant consistant en deux transistors M7 et M8 dont pour M7 un canal large pour diminuer la densité de courant dans ce transistor et donc son aptitude au vieillissement, M8 étant de plus, monté en cascode pour que la tension drain-source de M7 soit maintenue faible. 8. Capteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le circuit C (miroir de courant) comprend un transistor M6 monté en diode et deux transistors M9 et M10, les transistors M6 et M10 étant identiques, un transistor M9 supplémentaire garantit le maintien du potentiel de drain de M10 à la même valeur que celui de M6. 9. Capteur selon les revendications 7 et 8 caractérisé en ce que les transistors M8 et M9 sont en saturation pour former deux sources de courant M7-M8 et M9-M10 pour établir en sortie une différence de courant entre une source bien influençable au vieillissement et une autre peu influençable au vieillissement. 10. Capteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que la sortie en courant est convertie en tension à l'aide d'un amplificateur opérationnel OP. 11. Capteur selon les revendications 7 et 8 caractérisé en ce que l'on obtient une vitesse de dérive variable en ajoutant un transistor MC entre les transistors M5 et M6, son drain étant connecté au drain de M6 et sa source au drain de M5 et on utilise la grille de ce transistor MC comme entrée de commande Com du circuit. 12. Circuit intégré formé du capteur de vieillissement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les transistors sont d'une autre technologie que celle des CMOS ou de dopage inverse. 13. Circuit intégré formé du capteur de vieillissement selon l'une quelconque des revendications précédentes et d'un circuit intégré mono ou multifonctions sur le même substrat. 14. Circuit intégré selon la revendication 13 caractérisé en ce que le circuit intégré comporte plusieurs circuits représentant chacun une fonction indépendante, chaque circuit comportant son propre capteur de vieillissement.