(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーク電流低減用半導体回路であって、
第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスに接続される、休止モード状態のターゲット半導体デバイスを含む少なくとも１つのリーク電流ターゲット・ユニットと、
前記リーク電流ターゲット・ユニットに接続される電流シフト・モニタ・ユニットであって、２つの連続する所定の時間的期間に前記ターゲット半導体デバイスからリーク電流を収集して、前記２つの収集されたリーク電流を２つの対応する電圧に変換し、両者間の電圧差を測定する電流シフト・モニタ・ユニットと、
リーク電流の臨界シフトを定義する基準として使用される電圧信号を出力する基準電圧発生器と、
前記電流シフト・モニタ・ユニットと前記基準電圧発生器との出力を受け取る比較器であって、前記電流シフト・モニタ・ユニットからの前記電圧差と前記基準電圧発生器とを比較して、前記電流シフト・モニタ・ユニットからの前記リーク電圧出力が前記基準電圧を上回る場合に、前記リーク電流ターゲット・ユニットに警告信号を伝播するように構成される比較器と、
修復のために前記ターゲット半導体デバイスを動作モードに切り換えさせる前記比較器からの前記警告信号に応答して、前記第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスから前記ターゲット半導体デバイスのゲートに印加される修復電圧を、前記第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスに出力する修復電圧発生器と、
を含むリーク電流低減用半導体回路。
【請求項２】
前記電流シフト・モニタ・ユニットが、
前記ターゲット半導体デバイスからリーク電流を受け取る第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスと、
前記第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスに接続される少なくとも２つの電荷収集デバイスであって、それぞれが少なくとも前記２つの連続する所定の時間的期間に集積される電流を交互に受け取って前記電荷を電圧に変換するように動作する少なくとも２つの電荷収集デバイスと、
前記電荷収集デバイスに接続されてそこから電圧を受け取るように動作可能な差動増幅器であって、前記連続する期間の電圧のいかなる変化も比較して、前記電荷収集デバイスの前記電圧間の第１の差動電圧を前記比較器に出力するようにさらに動作可能な差動増幅器と、
を含む、請求項１に記載の半導体回路。
【請求項３】
前記電流シフト・モニタ・ユニットが、
前記差動増幅器に接続され、前記電荷収集デバイスからの前記電圧間の前記比較の後に、前記差動増幅器の極性を反転することによって第２の差動電圧出力を前記比較器に供給する極性スイッチ、
をさらに含む、請求項２に記載の半導体回路。
【請求項４】
前記リーク電流ターゲット・ユニット、前記電流シフト・モニタ・ユニット、前記基準電圧発生器、前記比較器、および前記修復電圧発生器が、半導体材料の単一基板上に配置される、請求項３に記載の半導体回路。
【請求項５】
前記ターゲット半導体デバイスは、ＭＯＳＦＥＴである、請求項１に記載の半導体回路。
【請求項６】
前記比較器は、オペ・アンプである、請求項１に記載の半導体回路。
【請求項７】
前記基準電圧発生器からの前記電圧信号は、前記電流シフト・モニタ・ユニットからの前記電圧差の整数倍である、請求項１に記載の半導体回路。
【請求項８】
前記修復電圧が、前記ターゲット半導体デバイスのしきい電圧と前記ターゲット半導体デバイスの動作電圧との間にある、請求項１に記載の半導体回路。
【請求項９】
マルチプレクサによってリーク電流測定および低減のために個別に選択される複数のリーク電流ターゲット・ユニットをさらに含む、請求項１に記載の半導体回路。
【請求項１０】
前記複数のリーク電流ターゲット・ユニットが、リーク電流低減のために連続的に選択される、請求項９に記載の半導体回路。
【請求項１１】
前記複数のリーク電流ターゲット・ユニット、前記電流シフト・モニタ・ユニット、前記基準電圧発生器、前記比較器、および前記修復電圧発生器が、半導体材料の単一基板上に配置される、請求項９に記載の半導体回路。
【請求項１２】
ターゲット半導体デバイス上のリーク電流暴走を検出して低減する方法であって、
２つの連続する所定の時間的期間に休止状態のターゲット半導体デバイスからリーク電流を収集することと、
前記２つの収集されたリーク電流を２つの対応する電圧に変換することと、
前記２つの対応する電圧間の電圧差を測定することと、
前記リーク電流の臨界シフトを定義する基準電圧を供給することと、
前記基準電圧を前記電圧差と比較することと、
前記電圧差が前記基準電圧を上回るのに応答して警告信号を送出することと、
前記警告信号に応答して、前記ターゲット半導体デバイスのゲートに修復信号を送出して前記ターゲット半導体デバイスのリーク電流を低減することと、
を含む方法。
【請求項１３】
２つの連続する所定の時間的期間に休止状態のターゲット半導体デバイスからリーク電流を前記収集することが、２つの連続する所定の時間的期間に電流を交互に収集するように動作する２つの電荷収集デバイスに前記リーク電流を分配することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記２つの対応する電圧間の前記電圧差を前記測定することが、差動増幅器を使用して前記２つの電荷収集デバイスから電圧を受け取り、前記電圧差を比較器に出力することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記２つの対応する電圧間の前記電圧差を前記測定することが、前記電圧差を前記出力することの後で、前記差動増幅器に接続される極性スイッチを使用して前記差動増幅器の極性を反転して、第２の電圧差を前記比較器に供給することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法が、ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイス上で実施される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記修復電圧が、前記ターゲット半導体デバイスのしきい電圧と前記デバイスの動作電圧との間にある、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記基準電圧は、前記電圧差の整数倍である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記基準電圧は、前記電圧差の２倍である、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の分野に関し、さらに詳細には、半導体デバイスのリーク電流を致命的なリーク電流暴走が発生する前に低減する装置および方法に関する。当然のことながら、本明細書で説明される本発明の装置および方法は、一般に、半導体デバイスに関し、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）デバイスに本発明を適用することに特に重点が置かれる。
【背景技術】
【０００２】
リーク電流暴走とは、ゲート電圧がスイッチオフ時にソース・ノードとドレイン・ノード間の全動作電圧（Ｖｄｄ）でＭＯＳＦＥＴデバイスがバイアスされる休止モード中に、ＭＯＳＦＥＴデバイスで発生する致命的な現象である。通常、休止状態のＭＯＳＦＥＴデバイスのリーク電流は経時変化しない。しかしながら、デバイスのチャネル長が非常に短い場合には、リーク電流、特に、ドレイン誘導障壁低下（ＤＩＢＬ：ｄｒａｉｎ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｌｏｗｅｒ）リーク電流は、時間とともに増加する。このような場合、このＤＩＢＬ電流は、トランジスタ・チャネル内に衝突電離を発生させてデバイスを損傷するほどのエネルギを持ち、その結果しきい電圧が低下する可能性がある。低下したしきい電圧は、ＤＩＢＬリーク電流のさらなる増加を引き起こし、その後、最終的にリーク電流暴走に至る正のフィードバックを伴う連鎖反応が起きる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｏｆ  ＮＭＯＳ  Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｌｅａｋａｇｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｂｙ  Ｏｆｆ−ｓｔａｔｅ  Ｈｏｔ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｓｔｒｅｓｓ」、ＩＣＣＤＣＳ、２００６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高速設計において非常に短いチャネルおよび長い休止モードの使用は増加する一方であるため、リーク電流暴走は深刻な問題となりつつある。リーク電流暴走のメカニズムに関する詳細は、非特許文献１で報告されている。この論文の著者が発見したように、リーク電流の増加は、デバイスを休止モードから動作モードへ短時間だけ切り換えることによって正常な状態に戻すことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、概して一般に、
第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスに接続される、休止モード状態のターゲット半導体デバイスを含む少なくとも１つのリーク電流ターゲット・ユニットと、
前記リーク電流ターゲット・ユニットに接続される電流シフト・モニタ・ユニットであって、２つの連続する所定の時間的期間に前記ターゲット半導体デバイスからリーク電流を収集して、２つの収集されたリーク電流を２つの対応する電圧に変換し、両者間の電圧差を測定する電流シフト・モニタ・ユニットと、
リーク電流の臨界シフトを定義する基準として使用される電圧信号を出力する基準電圧発生器と、
電流シフト・モニタ・ユニットと基準電圧発生器との出力を受け取る比較器であって、前記電流シフト・モニタ・ユニットからの前記電圧差と前記基準電圧発生器とを比較して、前記電流シフト・モニタ・ユニットからのリーク電圧出力が基準電圧を上回る場合に、リーク電流ターゲット・ユニットに警告信号を伝播するように構成される比較器と、
修復のために前記ターゲット半導体デバイスを動作モードに切り換えさせる前記比較器からの前記警告信号に応答して、前記第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスからターゲット半導体デバイスのゲートに印加される修復電圧を、前記第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスに出力する修復電圧発生器と、
を含むリーク電流低減用半導体回路を提供する。
【０００６】
好適な実施形態によれば、前記電流シフト・モニタ・ユニットは、
前記ターゲット半導体デバイスからリーク電流を受け取る第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスと、
前記第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスに接続される少なくとも２つの電荷収集デバイスであって、それぞれが少なくとも前記２つの連続する所定の時間的期間に集積される電流を交互に受け取って電荷を電圧に変換するように動作する少なくとも２つの電荷収集デバイスと、
前記電荷収集デバイスに接続されてそこから電圧を受け取るように動作可能な差動増幅器であって、前記連続する期間の電圧のいかなる変化も比較して、前記電荷収集デバイスの前記電圧間の第１の差動電圧を比較器に出力するようにさらに動作可能な差動増幅器と、
を含む。
【０００７】
別の好適な実施形態によれば、前記電流シフト・モニタ・ユニットは、
前記差動増幅器に接続され、前記電荷収集デバイスからの前記電圧間の前記比較の後に、差動増幅器の極性を反転することによって第２の差動電圧出力を比較器に供給する極性スイッチ、
をさらに含む。
【０００８】
別の好適な実施形態によれば、前記リーク電流ターゲット・ユニット、前記電流シフト・モニタ・ユニット、前記基準電圧発生器、前記比較器、および前記修復電圧発生器は、半導体材料の単一基板上に配置される。
【０００９】
好ましくは、前記ターゲット半導体デバイスはＭＯＳＦＥＴであり、前記比較器はオペ・アンプである。
【００１０】
別の好適な実施形態によれば、前記基準電圧発生器からの前記電圧信号は、前記電流シフト・モニタ・ユニットからの前記電圧差の整数倍である。
【００１１】
好ましくは、前記修復電圧は、ターゲット半導体デバイスのしきい電圧と前記ターゲット半導体デバイスの動作電圧との間にある。
【００１２】
本発明の別の実施形態によれば、前記半導体回路は、マルチプレクサによってリーク電流測定および低減のために個別に選択される複数のリーク電流ターゲット・ユニットをさらに含む。
【００１３】
好ましくは、前記複数のリーク電流ターゲット・ユニットは、リーク電流低減のために連続的に選択される。
【００１４】
別の好適な実施形態によれば、前記複数のリーク電流ターゲット・ユニット、前記電流シフト・モニタ・ユニット、前記基準電圧発生器、前記比較器、および前記修復電圧発生器は、半導体材料の単一基板上に配置される。
【００１５】
さらに、本発明の別の実施形態は、ターゲット半導体デバイス上のリーク電流暴走を検出して低減する方法であって、
２つの連続する所定の時間的期間に休止状態のターゲット半導体デバイスからリーク電流を収集することと、
２つの収集されたリーク電流を２つの対応する電圧に変換することと、
前記２つの対応する電圧間の電圧差を測定することと、
リーク電流の臨界シフトを定義する基準電圧を供給することと、
前記基準電圧を前記電圧差と比較することと、
前記電圧差が基準電圧を上回るのに応答して警告信号を送出することと、
前記警告信号に応答して、ターゲット半導体デバイスのゲートに修復電圧を送出して前記ターゲット半導体デバイスのリーク電流を低減することと、
を含む方法も提供する。
【００１６】
別の好適な実施形態によれば、２つの連続する所定の時間的期間に休止状態のターゲット半導体デバイスからリーク電流を収集することは、２つの連続する所定の時間的期間に電流を交互に収集するように動作する２つの電荷収集デバイスにリーク電流を分配することをさらに含む。
【００１７】
別の好適な実施形態によれば、前記２つの対応する電圧間の電圧差を測定することは、差動増幅器を使用して前記２つの電荷収集デバイスから電圧を受け取り、前記電圧差を比較器に出力することをさらに含む。
【００１８】
別の好適な実施形態によれば、前記２つの対応する電圧間の電圧差を測定することは、前記電圧差を出力することの後で、前記差動増幅器に接続される極性スイッチを使用して差動増幅器の極性を反転して、第２の電圧差を比較器に供給することをさらに含む。
【００１９】
好ましくは、前記方法は、ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイス上で実施される。
【００２０】
好ましくは、前記修復電圧は、ターゲット半導体デバイスのしきい電圧と前記デバイスの動作電圧との間にある。
【００２１】
別の実施形態によれば、前記基準電圧は、前記電圧差の整数倍である。
【００２２】
好ましくは、前記基準電圧は、前記電圧差の２倍である。
【００２３】
本発明の特徴および利点は、添付図面と合わせて読まれることになる本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明からさらに明確に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】休止状態中における半導体デバイスのリーク電流変化を示すグラフ・プロットである。
【図２】本発明の実施形態による単一の半導体デバイスのリーク電流を低減する半導体回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による、スイッチ・コントロール・ロジック・デバイスとターゲット半導体デバイスとを含むリーク電流ターゲット・ユニットを示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態によるリーク電流シフト・モニタ・ユニットを示すブロック図である。
【図５】例示的な実施形態による、図２に示されるブロック図の回路図である。
【図６】別の例示的な実施形態による、複数の半導体デバイスのリーク電流を低減する半導体回路を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の１つ以上の実施形態は、致命的なリーク電流暴走が発生する前に、半導体デバイス、特に、ＭＯＳＦＥＴデバイスのリーク電流シフトを検出して低減する方法および回路を提供する。
【００２６】
図１に示されるように、リーク電流ターゲット・ユニットのターゲット半導体デバイスのリーク電流による電荷（Ｑ）は、複数の個別時間的期間（Δｔ）に収集される。サンプルの実施形態によれば、半導体デバイスは、休止モードのＭＯＳＦＥＴデバイスである。第１の時間的期間ｔ１、第２の時間的期間ｔ２および第３の時間的期間ｔ３の間で、各時間的期間のリークによる電荷は、１つの時間的期間から次の期間でそれほど違いがない（すなわち、約２５％未満の変化）。そのため大きなリーク電流シフトはない。しかしながら、第４の時間的期間ｔ４の間では、リーク電流による電荷Ｑは、以前の時間的期間ｔ３中よりも大幅に増加している（すなわち、２００％を超える変化）。第５の時間的期間ｔ５の間では、リーク電流による電荷Ｑは、暴走リーク電流が発生するために以前の時間的期間ｔ４より大きく指数関数的に増加する。したがって、（図示される例の第３の時間的期間と第４の時間的期間との間で）電荷Ｑの増加によるリーク電流の大幅なシフトがあり、これがリーク電流暴走の前兆である。
【００２７】
本発明の一実施形態によれば、２つの連続する時間的期間（ｎ）および（ｎ＋１）の間に収集される電荷は、それぞれ電位Ｖ（ｎ）およびＶ（ｎ＋１）として、コンデンサなどの電流対電圧変換デバイス上に蓄積される。連続する時間的期間の電圧間の差（Ｖ（ｎ＋１）−Ｖ（ｎ））は、このような電流対電圧変換デバイスを使用して決定される。
【００２８】
基準電圧Ｖｒｅｆを使用して、リーク電流暴走の前兆であるリーク電流シフトを発生させるのに充分な、連続する時間的期間同士の電荷Ｑによって供給される電圧の臨界差を特定する。基準電圧発生器によって送出される基準電圧Ｖｒｅｆは、固定電圧であってもよく、あるいは２つの連続する時間的期間のうちのどちらか一方の期間の電荷Ｑの関数であってもよい。例えば、基準電圧Ｖｒｅｆは、２つの連続する時間的期間の初めの期間の電圧の倍数（ｍＶ（ｎ））であってもよい。より詳細には、例示的な実施形態によれば、基準電圧Ｖｒｅｆは、初めの時間的期間の電圧の２倍（２Ｖ（ｎ））に等しくてもよい。
【００２９】
図２は、休止モード中のＭＯＳＦＥＴデバイスなどの半導体デバイスのリーク電流シフトを検出して低減する回路１００の形態の本発明の一実施形態のブロック図である。図２で確認できるように、回路１００は、リーク電流ターゲット・ユニット１０と、電流シフト・モニタ・ユニット２０と、基準電圧発生器３０と、比較器４０と、修復電圧発生器５０とを含む。
【００３０】
リーク電流暴走の発生を検出するために、連続する時間的期間の電圧差は、基準電圧と比較される。以下の方程式によって表されるように、リーク電流ターゲット・ユニット１０からのリーク電流シフトは、連続する時間的期間の電圧差が基準電圧よりも大きい場合に検出される。
［Ｖ（ｎ＋１）−Ｖ（ｎ）］＞Ｖｒｅｆ            （数１）
【００３１】
本発明では、目前のリーク電流暴走を示すリーク電流シフトは、修復電圧Ｖｆｉｘをターゲット半導体デバイスのコントロール・ノード、例えば、ＭＯＳＦＥＴデバイスのゲートに印加すると同時に、ターゲット半導体デバイスを休止モードから動作モードに切り換えることによって低減される。一実施形態によれば、修復電圧Ｖｆｉｘは、ＭＯＳＦＥＴデバイスのしきい電圧とＭＯＳＦＥＴデバイスの動作電圧との間の大きさを有する電圧である。しきい電圧および動作電圧は、ＭＯＳＦＥＴデバイスの特異的性質であり、容易に得ることができることに留意すべきである。
【００３２】
図３で確認できるように、電流シフト・モニタ・ユニット２０は、ターゲット半導体デバイス１４に電気的に接続されており、ターゲット半導体デバイス１４からのリーク電流は、電流シフト・モニタ・ユニット２０に流れ込むようになっている。電流シフト・モニタ・ユニット２０は、連続する時間的期間のリーク電流による電荷を収集し、そのリーク電流を対応する電圧に変換する。電流シフト・モニタ・ユニット２０は、前記連続する時間的期間の電圧のいかなる差異またはシフトも測定することによって、ターゲット半導体デバイス１４からのリーク電流をモニタする。電流シフト・モニタ・ユニット２０は、連続する時間的期間にわたるリーク電流シフトによる電圧差の増幅信号（ＡΔＶ）を出力として供給する。
【００３３】
基準電圧発生器３０は、リーク電流の臨界シフトを定義するしきい値として使用される電圧信号（Ｖｒｅｆ）を発生させる。基準電圧Ｖｒｅｆは、ターゲットＭＯＳＦＥＴデバイス１４の臨界シフトに対応する固定電圧値を有してもよい。あるいは、基準電圧Ｖｒｅｆは、２つの連続する時間的期間にわたるリーク電流の以前のモニタリングの間に電流シフト・モニタ・ユニット２０によって保存された２つの電圧値のうちの１つの関数（Ｖ（ｎ））であってもよい。一実施形態では、基準電圧Ｖｒｅｆは、２つの先の時間的期間に電流シフト・モニタ・ユニット２０によって測定された２つの電圧のうちの初めの電圧の倍数（ｍＶ（ｎ））である。例示的な実施形態によれば、基準電圧は、２つの電圧のうちの初めの電圧値の２倍（２Ｖ（ｎ））に等しい。
【００３４】
電流シフト・モニタ・ユニット２０によって供給される電圧差信号（ＡΔＶ）および基準電圧発生器３０からの基準電圧Ｖｒｅｆの出力は、一実施形態によればオペ・アンプである比較器４０に入力される。比較器４０は、電圧差信号（ＡΔＶ）を基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。電圧差信号（ＡΔＶ）が基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合に、比較器４０は、リーク電流ターゲット・ユニット１０に修復信号Ｖｆｌａｇを送る。リーク電流ターゲット・ユニット１０に印加される修復信号Ｖｆｌａｇがあると、ターゲット半導体デバイス１４が休止状態から動作状態に切り換わって、修復電圧発生器５０からの電圧Ｖｆｉｘがターゲット半導体デバイス１４のリーク電流暴走を低減することができるようになる。
【００３５】
図３は、リーク電流シフトについてモニタされる休止モードのＭＯＳＦＥＴデバイスまたは他のターゲット半導体デバイス１４と、リーク電流暴走を低減する第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２とを含む回路１００（図２）のリーク電流ターゲット・ユニット１０を示すブロック図である。第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２は、後ほどさらに詳細に説明されるが、信号Ｖｆｌａｇが存在する場合に、修復電圧発生器５０からの修復電圧Ｖｆｉｘをターゲット半導体デバイス１４のゲートに本質的に切り換える。ターゲット半導体デバイス１４は、入力ノード、出力ノードおよびコントロール・ノードを有する。以下の説明では、当技術分野で周知のように、ターゲット・デバイスはＰ型ＭＯＳＦＥＴデバイスであり、入力ノードはソースであり、出力ノードはドレインであり、コントロール・ノードはゲートである。本発明は、ソースが出力ノードでドレインが入力ノードであるＮ型デバイスを含む他の半導体デバイスについても含有する。さらに、ターゲット半導体デバイス１４は、メタル・オン・シリコン、またはＭＯＳＦＥＴデバイスの広範な定義の範囲内の他の何らかの組成（すなわち、非金属導電線およびコンタクト、ポリシリコン、ガリウム砒素または他の半導体チャネルを使用）であってもよい。
【００３６】
サンプルの実施形態では、第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２は、複数の入力オプションを受け入れ、適切なバイアス条件を選択し、選択されたバイアス電圧をターゲット半導体デバイス１４に供給する。電圧Ｖｄｄをトリガとしてターゲット半導体デバイス１４を動作モードにする（すなわち、ターゲット半導体デバイスを「オン」にする）とともに、接地電圧ＧＮＤを印加することで「休止」モードにする（すなわち、ターゲット半導体デバイスを「オフ」または「スタンバイ」にする）。さらに、ターゲット半導体デバイス１４を動作モードにする効果を有する警告電圧Ｖｆｌａｇがある場合に修復電圧Ｖｆｉｘを印加することでターゲット半導体デバイス１４の著しいリーク電流シフトを防止する。ターゲット半導体デバイス１４をオンにするコントロール信号に応答して、第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２は、動作電圧Ｖｄｄをターゲット半導体デバイス１４のゲートに切り換える。ターゲット半導体デバイス１４を休止モードにするコントロール信号に応答して、第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２は、接地電圧ＧＮＤをターゲット半導体デバイス１４のゲートに切り換える。比較器４０からの警告または修復信号Ｖｆｌａｇに応答して、第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２は、修復電圧Ｖｆｉｘをターゲット半導体デバイス１４のゲートに切り換える。当然のことながら、修復電圧Ｖｆｉｘは、別のスイッチング・デバイスを使用して動作電圧と接地電圧とで選択的に切り換えることもできる。
【００３７】
図４は、本実施形態による電流シフト・モニタ・ユニット２０を詳細に示すブロック図である。電流シフト・モニタ・ユニット２０は、第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス２２と、２つの電荷収集デバイス２４１および２４２と、極性スイッチ・ロジック・デバイス２８によって極性が制御される差動増幅器２６とを含む。例示的な実施形態では、電荷収集デバイス２４１および２４２は、リーク電流を電位に変換するコンデンサである。
【００３８】
以下は、ターゲット半導体デバイス１４からのリーク電流を測定するための電流シフト・モニタ・ユニット２０の動作を示す例示的な実施形態である。図４に示されるように、リーク電流Ｉ（ＬＥＡＫ）は、リーク電流ターゲット・ユニット１０から第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス２２に流れ込む。第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス２２は、リーク電流Ｉ（ＬＥＡＫ）を第１の電荷収集デバイス２４１上へと切り換え、第１の電荷収集デバイス２４１は、時刻ｔ０と（ｔ０＋Δｔ）との間の期間Δｔの間のリーク電流を集積して電圧Ｖ１（ｔ１）を生成する。第１の電荷収集デバイス２４１は、Ｖ１（ｔ１）を差動増幅器２６の負（−）のポートに供給する。次いで、タイミング回路またはクロックからの時刻ｔ１に応答して、第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス２２は、ｔ１において第１電荷収集デバイス２４１からのリーク電流Ｉ（ＬＥＡＫ）を第２の電荷収集デバイス２４２に切り換える。次いで、時刻ｔ１から時刻（ｔ１＋Δｔ）までの間に、第２の電荷収集デバイス２４２は、その後のリーク電流を集積して、差動増幅器２６の正（＋）のポートに供給する電圧Ｖ２（ｔ２）を生成する。差動増幅器２６は、利得Ａを用いてＡ＊（Ｖ２−Ｖ１）またはＡΔＶ（ｔ２）となる電圧を比較器４０の第１のポートに出力し、第１のリーク電流比較サイクルが完了する。
【００３９】
図２に示される比較器４０は、第１のポートで信号ＡΔＶ（ｔ２）および第２のポートで基準電圧Ｖｒｅｆを受け取る。前述の例示的な実施形態によれば、比較器４０は、差動増幅器２６からの信号ＡΔＶが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合にリーク電流ターゲット・ユニット１０に送出するための修復信号Ｖｆｌａｇを生成するオペ・アンプである。
【００４０】
第１の比較に続いて、ｔ２から（ｔ２＋Δｔ）までの次の期間中のリーク電流を収集するために、第１の電荷収集デバイス２４１は放電およびリフレッシュされる。時刻ｔ３において第１の電荷収集デバイス２４１上に蓄積された電荷は、電圧Ｖ１（ｔ３）を生成して差動増幅器２６の負（−）のポートに供給される。次いで、差動増幅器２６の極性は、極性スイッチ・ロジック・デバイス２８によって反転されて、Ｖ２（ｔ２）ノードおよびＶ１（ｔ３）ノードの極性はそれぞれ負（−）および正（＋）となる。次いで、差動増幅器２６からの出力は、ＡΔＶ（ｔ３）＝Ａ＊（Ｖ１−Ｖ２）となる。差動増幅器２６は、比較器４０の第１のポートに新しい電圧のＡ＊（Ｖ１−Ｖ２）またはＡΔＶ（ｔ３）を出力し、第２のリーク電流比較サイクルが完了する。
【００４１】
次いで、電流シフト・モニタ・ユニット２０で同じ手順が連続的に繰り返され、時刻ｔｎとｔ（ｎ＋１）との間のリーク電流増加量に比例する一連の電圧出力ＡΔＶ（ｔｎ）＝Ａ＊（Ｖ２−Ｖ１）＊（−１）（ｎ＋１）を供給する。各比較サイクルは、Δｔの期間を有する。リーク電流比較（すなわち、連続する時間的期間にわたる電荷収集デバイス２４１および２４２からの出力電圧の比較）が完了する度に、一定期間中のリーク電流で充電された電荷収集デバイス（すなわち、差動増幅器の負ノードに接続される電荷収集デバイス）は放電される。次いで、第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス２２は、一番最近放電された電荷収集デバイスにリーク電流をさらに供給し、続いて極性スイッチ・ロジック・デバイス２８は、差動増幅器２６の極性を切り換える。電圧および温度などのモニタされるデバイスの特性および動作条件に対して、リーク電流による電荷を収集する時間的期間Δｔまたは間隔が予め決定される。この値は約数秒から約数分の範囲であってもよい。回路設計者および製造者は、特定の回路に関してこれらの特性に基づいて値Δｔを予め決定することができる。
【００４２】
時刻（ｔｎ＋Δｔ）とｔ（ｎ＋１）との間の遅延は、コントロール・ロジックのスイッチング速度、および電荷収集デバイスのＲＣ遅延に依存しており、回路の設計は、この遅延がリーク集積時間Δｔと比較して非常に小さく、したがって、以下の本文全体で以降使用される
0005404537.tif 000002
となるように実施されることに留意すべきである。
【００４３】
リーク電流の早期上昇を検出するために、図２に示される基準電圧発生器３０によって所定の基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。前述のように、休止モード中のＭＯＳＦＥＴデバイスのリーク電流は、デバイスが経時的に劣化するに連れて次第に増加する場合もあり、最終的にリーク電流暴走を招くとともに、デバイスおよび回路に致命的な不良を引き起こすことになる。通常、リーク電流は、リーク電流暴走が発生する前に３倍（３Ｖ（ｔ０））を超えるまで増加する。基準電圧は、例えば、リーク電流が時刻ｔ０時点の初期値から２倍（２Ｖ（ｔ０））の値で定義されても効果的である。したがって、利得と時間Δｔの間のリーク電流による電圧差との積が基準電圧Ｖｒｅｆより大きくなる場合に、リーク電流暴走を検出するためのトリガが発生する。
【００４４】
基準電圧発生器３０は、温度、プロセス変動および電源電圧などで変化しない安定出力電圧Ｖｒｅｆを供給することが重要であることに留意すべきである。サンプルの実施形態によれば、バンド・ギャップ基準を使用して電圧や温度に敏感でない安定基準電圧を供給する。バンド・ギャップ基準は、回路設計で広く使用されている電圧基準回路であり、０Ｋにおけるシリコンの理論バンド・ギャップ電圧１．２２ｅＶに近い１．２５Ｖの出力電圧を供給する。
【００４５】
電流シフト・モニタ・ユニット２０からの出力ＡΔＶは、電圧比較器４０を使用して基準電圧Ｖｒｅｆに対して比較される。修復（すなわち、リークの低減）がまだ可能なリーク電流暴走検出の初期において、利得と差動増幅器２６からの電圧差との積が臨界点の基準電圧よりも大きい（すなわち、ＡΔＶ＞Ｖｒｅｆ）場合に、警告または修復信号Ｖｆｌａｇが生成される。警告信号Ｖｆｌａｇがリーク電流ターゲット・ユニット１０に供給されると、ターゲット半導体デバイス１４（すなわち、ＭＯＳＦＥＴ）が休止モード（Ｖゲート＝Ｖソース＝０Ｖ、Ｖドレイン＝Ｖｄｄ）から動作モードに切り換わって、修復電圧発生器５０からのＶｆｉｘをターゲット半導体デバイス１４のゲートに印加すること（Ｖゲート＝Ｖｆｉｘ、Ｖドレイン＝Ｖｄｄ、Ｖソース＝０Ｖ）によってリーク電流の低減が可能になる。
【００４６】
図５は、単一のリーク電流ターゲット半導体デバイス１４を有する、図２で以前に示されたリーク電流シフト検出および低減回路１００の回路図の実施形態である。第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２は、スイッチのネットワーク、スイッチとして構成されるトランジスタのネットワーク、または１つ以上のコントロール信号に応答して２つ以上の入力電圧のうちの１つを出力に切り換えるのに適する他の何らかのデバイスまたはネットワークから構成されてもよい。例示的なサンプルの実施形態では、第１のスイッチ・コントロール・ロジック・ユニット１２は、ターゲット半導体デバイス１４をそれぞれ動作モード、休止モードおよび修復モード（すなわち、リーク低減）にバイアスするＳＷｏｎ、ＳＷｏｆｆおよびＳＷｆｉｘの３つのスイッチを制御する。リーク電流をモニタする場合の例として、スイッチＳＷｏｎおよびＳＷｆｉｘはともに開放し、スイッチＳＷｏｆｆは閉鎖する。
【００４７】
さらに図５に示されるように、電流シフト・モニタ・ユニット２０の第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス２２は、前述のように、収集された電流を対応する電圧にも変換する、それぞれコンデンサＣ１およびＣ２として示される電荷収集デバイス２４１および２４２を充電したり放電したりすることによってリーク電流のモニタリングを可能にするＳＷｅｎ、ＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷｃｌｎの別の４つのスイッチを制御する。時刻ｔ１から時刻ｔ２までのリーク電流シフトをモニタする場合の例として、最初にスイッチＳＷｅｎが閉鎖され、ｔ０とｔ１との間の第１の期間中にＳＷ２およびＳＷｃｌｎをともに開放したままスイッチＳＷ１を閉鎖することによって、リーク電流Ｉ（ＬＥＡＫ）を第１のコンデンサＣ１に向かわせてＶ１（ｔ１）を生成する。次いで、ｔ１からｔ２までの次の期間にＳＷ１を開放するとともにＳＷ２を閉鎖することによって、リーク電流Ｉ（ＬＥＡＫ）を第２のコンデンサＣ２に向かわせてＶ２（ｔ２）を生成する。その後、スイッチＳＷ１およびＳＷ２をともに開放して、差動増幅器２６でコンデンサＣ１およびＣ２の電圧を比較して電圧ＡΔＶを生成し、第１のリーク電流比較サイクルが完了する。比較器４０は、信号ＡΔＶ、および基準電圧発生器３０からの基準電圧Ｖｒｅｆを受け取る。差動増幅器２６からの信号ＡΔＶが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合に、比較器は修復信号Ｖｆｌａｇを生成する。
【００４８】
Ｖ１（ｔ１）とＶ２（ｔ２）とを比較した結果として、差動増幅器から電圧ＡΔＶが生成されてから、スイッチＳＷｅｎを開放してスイッチＳＷ１およびＳＷｃｌｎを閉鎖することによって、コンデンサＣ１が放電される。次の期間Δｔ内のリーク電流が再びコンデンサＣ１によって集積されてＶ１（ｔ３）が生成される。このとき、極性スイッチ・ロジック・デバイス２８によって差動増幅器２６の極性が反転され、その後、差動増幅器２６でコンデンサＣ１からのＶ１（ｔ３）がコンデンサＣ２からのＶ２（ｔ２）と比較されて新しい電圧信号ＡΔＶが生成され、第２のリーク電流比較サイクルが完了することに留意する。
【００４９】
ターゲット半導体デバイス修復（すなわち、リーク低減）が、比較器４０によってトリガされると、最初に、第２のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス２２によってスイッチＳＷｅｎが開放されて、電流リークのモニタリング処理を無効にする。修復信号Ｖｆｌａｇがある場合に、第１のスイッチ・コントロール・ロジック・デバイス１２によってスイッチＳＷｆｉｘが閉鎖される一方、スイッチＳＷｏｆｆおよびＳＷｏｎがともに開放されて修復モードのターゲット半導体デバイス１４をバイアスする。これは、ターゲット半導体デバイス１４を休止状態から動作状態に切り換える効果がある。
【００５０】
図６は、個別に１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄなどとして示される複数のリーク電流ターゲット・ユニット１０内のリーク電流シフトを検出して低減する回路２００の別の実施形態のブロック図である。一度に１つだけのリーク電流ターゲット・ユニットが選択され、そこでリーク電流のモニタリングおよび低減が実施される。このような選択および修復は、ターゲット選択ロジック・デバイス１８によって制御されるマルチプレクサ（ＭＵＸ）ユニット１６によって実施される。このような構成は、２つ以上のリーク電流ターゲット・ユニットがある場合に効果的にチップ面積を節約する。各リーク電流ターゲット・ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄなどは、図３で示されるようなスイッチ・コントロール・ロジック・デバイスおよびターゲット半導体デバイスから構成される。電流シフト・モニタ・ユニット２０、基準電圧発生器３０、比較器４０および修復電圧発生器５０は、図２に示され前述されたものと本質的に同一である。
【００５１】
複数のリーク電流ターゲット・ユニット１０に対する全検査時間（Δｔ（トータル））は、それぞれ個別のユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄなどに対する検査時間の合計であり、各リーク電流ターゲット・ユニットは、連続する時間的期間Δｔの間に検査される。したがって、Δｔ（トータル）は、どんなの単一のリーク電流暴走事象についても特定して低減できるだけの長さにするべきである（例えば、本発明の一実施形態では、数十秒以下）。この時間内に低減されないリーク電流シフトであれば、ターゲット半導体デバイスに永久的な損傷を与えることもある。したがって、各ターゲット半導体デバイスの個別の検査時間Δｔは、複数のリーク電流ターゲット・ユニット１０に対応するために、構成に応じて調整（または最小化）されるべきである。
【００５２】
前述の説明および添付の図面は、本発明について説明するものであり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲の及ぶ限り等価な変更および構成を含有するものとする。
【符号の説明】
【００５３】
１０    リーク電流ターゲット・ユニット
２０    電流シフト・モニタ・ユニット
３０    基準電圧発生器
４０    比較器
５０    修復電圧発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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