(57)【要約】【課題】  多数の電界効果トランジスタを有する集積回路の信頼性を評価するための方法及び回路システムを提供する。【解決手段】  本発明は、方法を提供する。この方法は、第１の動作条件下で複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を動作させることと、短時間、複数のＦＥＴの少なくとも１つについての動作方向を逆にすることと、短時間、複数のＦＥＴの１つの第２の動作条件を測定することと、第２の動作条件と基準動作条件との間の差を計算することと、第２の動作条件と基準動作条件との間の差に基づいて信頼性インジケータを提供することとを含み、複数のＦＥＴは、単一の集積回路（ＩＣ）において用いられる。【選択図】      図７
2011040725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の動作条件下で複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を動作させることと、
短時間、前記複数のＦＥＴの少なくとも１つについての動作方向を逆にすることと、
前記短時間、前記複数のＦＥＴの前記１つの第２の動作条件を測定することと、
前記第２の動作条件と基準動作条件との間の差を計算することと、
前記第２の動作条件と前記基準動作条件との間の前記差に基づいて信頼性インジケータを提供することと、
を含み、
前記複数のＦＥＴは単一の集積回路（ＩＣ）において用いられる、方法。
【請求項２】
前記第１の動作条件は、第１の動作電流及び第１の動作電圧を有する順方向の飽和動作条件であり、前記第２の動作条件は、第２の動作電流及び第２の動作電圧を有する逆方向の飽和動作条件であり、基準動作電流及び基準動作電圧を有する前記基準動作条件は、前記複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときの前記順方向の飽和動作条件である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記差を計算することは、前記第２の動作電圧が前記基準動作電圧と実質的に同じであるときに、前記第２の動作電流と前記基準動作電流との間の差を計算することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記信頼性インジケータを提供することは、前記第２の動作電流と前記基準動作電流との間の前記差を所定の閾値と比較し、前記差が前記所定の閾値からどれくらい離れているかに基づいてスケーリングされる警告信号を提供することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときに、前記複数のＦＥＴの前記１つの前記基準動作電流を記録することと、
前記所定の閾値を前記基準動作電流の百分率として設定することと、
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記所定の閾値は、前記基準動作電流の１０％に設定される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記複数のＦＥＴの前記１つは信頼性センサであり、前記信頼性センサが前記第２の動作条件下で動作されるとき、前記短時間は、前記複数のＦＥＴが前記第１の動作条件下で動作される通常の時間よりも実質的に短く、そのため、前記短時間は、前記信頼性センサと前記信頼性センサを除いた前記複数のＦＥＴとの間に、如何なる検出可能な信頼性の差ももたらさない、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記短時間は前記通常の時間の０．１％より短い、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のＦＥＴの前記１つは信頼性センサであり、
前記信頼性センサを含む前記複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときに、前記信頼性センサの前記基準動作電流を記録することと、
前記第１の動作電圧が前記基準動作電圧と実質的に同じであるときに、前記信頼性センサの前記第１の動作電流と前記基準動作電流との間の順方向−順方向間の差を計算することと、
前記順方向−順方向間の差が予め設定された値を超える場合には、前記複数のＦＥＴの予め選択された組のＦＥＴを置き換えるよう勧告を行なうことと、
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記予め設定された値は、前記基準動作電流の１０％である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
自動的に又は前記勧告に続いて外部命令を受け取ったときに、前記予め選択された組のＦＥＴを内蔵バックアップ用ＦＥＴの組と置き換えることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数のＦＥＴは、実質的に同じ寸法及び実質的に類似した構造体を有し、そのため時間経過に伴う実質的に同じ信頼性劣化プロセスを受ける、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数のＦＥＴは、実質的に同じ環境効果を受けるように、前記単一のＩＣ内に互いに近接して製造される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
第１の動作電流及び第１の動作電圧を含む第１の動作条件下で複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を動作させることと、
短時間、前記複数のＦＥＴの少なくとも１つについての動作方向を逆にすることと、
前記短時間、前記複数のＦＥＴの前記１つの、第２の動作電流及び第２の動作電圧を含む第２の動作条件を測定することと、
前記第２の動作電流と基準動作電流との間の差を計算することと、
前記第２の動作電流と前記基準動作電流との間の前記差に基づいて信頼性インジケータを提供することと、
を含み、
前記複数のＦＥＴは単一の集積回路（ＩＣ）において用いられ、前記複数のＦＥＴの前記１つは信頼性センサである、方法。
【請求項１５】
前記基準動作電流は、前記複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときに記録される前記第１の動作電流である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の動作電圧が、前記複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときに記録される基準動作電圧と実質的に同じに維持されるときに、前記差の計算が行なわれる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記信頼性インジケータを提供することは、前記第２の動作電流と前記基準動作電流との間の前記差を所定の閾値と比較し、前記差が前記所定の閾値からどれくらい離れているかに基づいてスケーリングされる警告信号を提供することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記所定の閾値は、前記基準動作電流の百分率である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数のＦＥＴの前記１つは信頼性センサであり、前記信頼性センサが前記第２の動作条件下で動作されるとき、前記短時間は、前記複数のＦＥＴが前記第１の動作条件下で動作される通常の時間より実質的に短く、そのため、前記短時間は、前記信頼性センサと前記信頼性センサを除いた前記複数のＦＥＴとの間に、如何なる検出可能な信頼性の差ももたらさない、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記短時間は、前記通常の時間の０．１％より短い、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
順方向の動作電流及び逆方向の動作電流の両方を前記複数のＦＥＴの少なくとも１つに与えるように適合されたアナログ回路と、
前記アナログ回路によって測定された前記逆方向の動作電流と基準動作電流との間の差を計算するように適合され、かつ、前記計算された差に基づいて信頼性に関連した措置で応答するように適合された制御回路と、
を含む集積回路。
【請求項２２】
前記基準動作電流は、前記複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときに記録される前記順方向の動作電流である、請求項２１に記載の集積回路。
【請求項２３】
前記複数のＦＥＴは、実質的に同じ寸法及び実質的に類似した構造体を有し、そのため、通常の使用中に実質的に同じ信頼性劣化プロセスを受ける、請求項２１に記載の集積回路。
【請求項２４】
前記計算された差に基づいて、前記制御回路は、前記計算された差が所定の閾値からどれくらい離れているかに基づいてスケーリングされる警告信号を提供するか、又は前記複数のＦＥＴの予め選択された組のＦＥＴを内臓バックアップ用ＦＥＴの組と置き換えることによって自己修復機能を実行する、請求項２３に記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、集積回路の分野に関し、具体的には、多数の電界効果トランジスタを有する集積回路の信頼性を評価するための方法及び回路システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高性能、高速の集積回路（ＩＣ）の開発が進むにつれて、半導体デバイス、特に、単一のＩＣの内部で用いられる、例えばシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）及び種々の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のトランジスタのような能動半導体デバイスの数が、爆発的に増え続ける。その結果、現在の技術開発の際に、多数の半導体デバイスを用いるＩＣチップを極めて信頼性の高い状態に維持することが、急速に最大の難問の１つになりつつある。１００万の又はさらに１０億ものＦＥＴを含むＩＣチップの場合、たった１つのＦＥＴの故障が、少なくとも理論上は、故障したＦＥＴを用いるチップ又はシステム全体の故障又は機能障害を引き起こす恐れがある。他方、超大規模集積（ＶＬＳＩ）回路の開発に向けてスケーリングが継続するのに伴って、個々のトランジスタ又はＦＥＴについての信頼性のマージンが劇的に縮小し、そのことが、ＩＣチップ・レベルにおける上記の信頼性問題をさらに悪化させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
軍事、医療及び宇宙用途といった、幾つかの重要な用途のために確実に用いることができる、半導体回路を生成する又は既存の半導体回路を改善する必要性が、当技術分野において存在する。現在のところ最新のＩＣの場合、トランジスタのホットキャリア（hot carrier）により誘起される閾値電圧（Ｖｔ）及びオンスイッチ電流（Ｉｏｎ）のシフトは、チップの動作中に対処する必要がある最も重要なチップの信頼性の問題の一部である。本発明の実施形態は、上記の信頼性の問題を緩和するための解決法を提供する。この解決法は、リアルタイムの信頼性予測を提供して、動作寿命中のデバイスの状態を監視し、必要に応じて、潜在的なデバイス故障の早期警告信号を生成する、「オンチップ」の内蔵信頼性モニタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、機能トランジスタが故障する前に、早期警告信号を提供することができる方法及びこの方法を用いるオンチップの信頼性監視システムを提供する。言い換えれば、本発明による信頼性監視システムは、一定の統計的障壁を克服し、１つの実施形態において、チップ上の他の多くのデバイス、場合によっては数十億ものデバイスの中の単一の能動デバイスが監視装置自体より早く故障しないことを保証することができる。
【０００５】
本発明の実施形態は、第１の動作条件下で複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を動作させることと、短時間、複数のＦＥＴの少なくとも１つについての動作方向を逆にすることと、短時間、複数のＦＥＴのその１つの第２の動作条件を測定することと、第２の動作条件と基準動作条件との間の差を計算することと、第２の動作条件と基準動作条件との間の差に基づいて信頼性インジケータを提供することとを含む方法を提供し、複数のＦＥＴは、単一の集積回路（ＩＣ）において用いられる。１つの実施形態において、第１の動作条件は、第１の動作電流及び第１の動作電圧を有する順方向の飽和動作条件であり、第２の動作条件は、第２の動作電流及び第２の動作電圧を有する逆方向の飽和動作条件であり、基準動作電流及び基準動作電圧を有する基準動作条件は、複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときの順方向の飽和動作条件である。
【０００６】
１つの態様において、差を計算することは、第２の動作電流と基準動作電流と間の差を計算することを含み、第２の動作電圧は、基準動作電圧と実質的に同じである。別の態様において、信頼性インジケータを提供することは、第２の動作電流と基準動作電流との間の差を所定の閾値と比較し、その差が所定の閾値からどれくらい離れているかに基づいてスケーリングされる警告信号を提供することを含む。
【０００７】
本発明の実施形態は、複数のＦＥＴが通常の使用を開始したときに複数のＦＥＴの１つの基準動作電流を記録することと、所定の閾値を基準動作電流の百分率として設定することとをさらに含む。１つの態様において、所定の閾値は、基準動作電流の約１０％に設定される。
【０００８】
本発明の１つの実施形態によれば、複数のＦＥＴの１つは信頼性センサであり、信頼性センサが第２の動作条件下で動作される短い時間は、複数のＦＥＴが第１の動作条件下で動作される通常の時間より実質的に短く、そのため、この短時間は、信頼性センサと信頼性センサを除いた複数のＦＥＴとの間に、如何なる検出可能な信頼性の差ももたらさない。例えば、短時間は、通常の時間の０．１％より短く、又はさらに０．０１％より短いものとすることができる。
【０００９】
本発明の実施形態は、第１の動作電圧が基準動作電圧と実質的に同じであるときに、信頼性センサの第１の動作電流と基準動作電流との間の差を計算することと、その差が事前設定値を超える場合には、複数のＦＥＴの予め選択された組のＦＥＴを置き換えるよう勧告を提供することとをさらに含む。１つの態様において、事前設定値は、基準動作電流の約１０％である。次に、この方法は、自動的に又は勧告に続いて外部命令を受け取ったときに、予め選択された組のＦＥＴを内蔵バックアップ用ＦＥＴの組と置き換える。
【００１０】
本発明の１つの実施形態において、複数のＦＥＴは、実質的に同じ寸法及び実質的に類似した構造体を有し、そのため、時間経過に伴う実質的に同じ信頼性劣化プロセスを受ける。本発明の別の実施形態において、複数のＦＥＴは、実質的に同じ環境効果を受けるように、単一のＩＣ内に互いに近接して製造される。
【００１１】
本発明は、添付の図面と併せて読んだときに、本発明の以下の詳細な説明からより完全に理解され、認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）及び線形動作条件の際のＦＥＴの動作の簡略化された例図である。
【図２】本発明の実施形態による、順方向の飽和動作条件下で動作される信頼性センサの例図である。
【図３】本発明の別の実施形態による、逆方向の飽和動作条件下で動作される信頼性センサの例図である。
【図４】本発明の別の実施形態に従って作製される応力付与前及び後の電界効果トランジスタのサンプルテスト結果のグラフである。
【図５】本発明の実施形態による、１つ又は複数の信頼性センサ及び置換用トランジスタを用いる半導体チップの例図である。
【図６】本発明の別の実施形態による、信頼性センサの動作をサポートするアナログ回路の例図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態による、信頼性センサを動作させる方法の簡略化されたフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
説明を簡単かつ明瞭にするために、図面中の要素は、必ずしも縮尺通りに描かれていないことが認識されるであろう。例えば、明確にするために、要素の幾つかの寸法は、他の要素のものに対して強調される場合がある。
【００１４】
以下の詳細な説明においては、本発明の実施形態が完全に理解されるように、多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者であれば、本発明の実施形態は、それらの具体的な詳細なしに実施できることを理解するであろう。本発明の本質及び／又は実施形態の提示を不明瞭にしないように、以下の詳細な説明においては、当技術分野において周知の処理ステップ及び／又は操作は、提示及び／又は説明のために互いに組み合わされることがあり、場合によっては、詳細には説明されないこともある。他の例では、当技術分野において周知の処理ステップ及び／又は操作が、全く説明されていないことがある。当業者であれば、以下の説明は、どちらかと言えば、本発明の実施形態の顕著な特徴及び／又は要素に焦点を当てていることを認識するであろう。
【００１５】
以下の詳細な説明において、周知のデバイス処理技術及び／又はステップは、詳細に説明されていないことがあり、場合によっては、以下にさらに詳述されるような本発明の本質の記述を不明瞭にしないように、他の公開された論文又は特許出願を参照することがある。
【００１６】
図１は、線形動作条件下の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の簡略化された例図である。ＦＥＴ１００は、例えば、相補型金属酸化膜半導体ＦＥＴ（ＣＭＯＳ−ＦＥＴ）とすることができ、かつ、半導体基板１０１の上部に形成することができる。ＦＥＴ１００は、ソース／ドレイン領域１０２及び１０３と、ゲート導体１０４と、ゲート導体１０４の下のゲート誘電体層１０５とを含むことができる。ゲート導体１０４及びゲート誘電体層１０５の両方とも、ＦＥＴ１００のチャネル領域１０６の上部に形成される。一般に、ＦＥＴはまた、例えば、スペーサ、ソース／ドレイン延長領域、ハロ注入部、シリサイド・コンタクト等のような他の要素及び／又はコンポーネントを含むこともできる。しかしながら、本発明の以下の説明においては、これらの要素及び／又はコンポーネントは必須ではなく、よって、それらの詳細を省略することができ、本発明の本質の説明及び例示を不明瞭にしないように、ＦＥＴ１００の説明に関して図１、図２及び図３には示されていないことがある。これに加えて、ＦＥＴ１００は、ｐ型ドーパントでドープされたＦＥＴ（ＰＦＥＴ）又はｎ型ドーパントでドープされたＦＥＴ（ＮＦＥＴ）とすることができる。一般性を失わずに説明するために、ＦＥＴ１００は、ＮＦＥＴとして、より具体的にはＣＭＯＳ−ＮＦＥＴデバイスとして以下に説明される。
【００１７】
動作中、ＮＦＥＴ１００のチャネル領域１０６における多数キャリアは、電子とすることができる。例えば、図１に示されるように、通常の線形動作モード中、ソース／ドレイン領域１０２は、ソースとして使用し、接地することができ、ソース／ドレイン領域１０３は、ドレインとして使用し、電圧を印加することができる。同様にゲート１０４に電圧を印加することもできる。本発明の１つの態様においては、例えば、閾値電圧Ｖｔｈより大きいものとすることができるゲート・ソース間電圧ＶＧＳを、ゲート１０４に印加することができ、（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）より小さいものとすることができるドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを、ドレイン１０３に印加することができる。上記の動作条件下では、図１に矢印で示されるように、電子は、チャネル領域１０６に沿ってソース１０２からドレイン１０３に流れることができる。チャネル領域１０６においては、ほぼ均一な電子密度１１１を形成することができる。ドレイン１０３の近傍では、以下により詳細に説明されるように、少量のエネルギー電子１１２が、ゲート導体１０４の下のゲート誘電体層１０５とチャネル領域１０６との間の界面に沿って捕獲（trap）される場合がある。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、チップの特定の機能を提供するように同じ半導体チップ上のＦＥＴ１００に近接させて製造することができる他の電界効果トランジスタの信頼性を判断及び／又は予測するために、ＦＥＴ１００を信頼性センサとして用いることができる。以下の説明において、半導体チップの機能を提供するＦＥＴを「機能ＦＥＴ」と呼ぶことができ、ＦＥＴ１００は、その信頼性が信頼性センサ１００によって監視される他の機能ＦＥＴと区別するように信頼性センサ１００と呼ぶことができる。１つの実施形態において、機能ＦＥＴは、信頼性センサ１００と実質的に同じ寸法及び実質的に類似の構造体を有するように製造することができ、かつ、信頼性センサ１００と実質的に同じ動作条件下で動作させることができるので、信頼性センサ１００の信頼性は、機能ＦＥＴのものを厳密に表すことができる。言い換えれば、信頼性センサ１００は、機能ＦＥＴのものと実質的に同じ、時間経過に伴う信頼性劣化プロセス、すなわちエージング効果を受け得る。
【００１９】
図２は、本発明の実施形態による、順方向の飽和動作条件下で動作される信頼性センサの例図である。例えば、飽和時に又は順方向の飽和動作条件下で、信頼性センサ１００に順方向バイアスをかけることができるので、ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳは、線形動作条件下の（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）より小さいものと比較すると、（ＶＧＳ−Ｖｔｈ）より大きくなる。他方、ゲート・ソース間電圧ＶＧＳは、線形動作条件と類似している閾値電圧Ｖｔｈより大きい。当技術分野において知られているように、順方向の飽和動作条件は、半導体チップで用いられる機能ＦＥＴの通常の動作条件である。本発明の別の実施形態によれば、信頼性センサ１００は、機能ＦＥＴと同じ又は実質的に類似した順方向の飽和動作条件下で、少なくとも大部分の時間動作することができ、これにより、信頼性センサ１００によって信頼性が監視される機能ＦＥＴの何らかのエージング効果又は劣化効果ができるだけ厳密に模倣される。
【００２０】
順方向の飽和動作条件中、「ホットキャリア」が、信頼性サンサ１００のチャネル領域１０６に沿って生じることがある。ここで、この「ホットキャリア」という用語は、一般に、高強度の電界によって半導体デバイス内の領域において加速された後に十分に高い運動エネルギーを得た正孔又は電子を指す。順方向の飽和動作条件下で動作される信頼性センサとして用いられるＣＭＯＳ−ＮＦＥＴデバイス１００の本実施形態において、ホットキャリアの大部分は、ソース領域１０２とドレイン領域１０３との間のチャネル領域１０６内の電子（「ホットエレクトロン」）である。順方向の飽和動作条件は、チャネル領域１０６内に強電場を生じさせ、その分布がチャネル領域１０６に沿ってソース領域１０２からドレイン領域１０３まで減少し、最終的にはピンチオフ点２０３に達する電子密度２０１をもたらす。チャネル領域１０６内の強電場により、電子の少なくとも一部が、チャネル領域１０６にわたって移動する間に高い運動エネルギーを得て、ホットキャリアになる場合がある。結果として、以下により詳細に説明されるように、十分に高い運動エネルギーを有する、ホットキャリア２０２、又はこの場合のホットエレクトロンの一部は、それらを意図していない又は予定していない信頼性センサ１００の領域内に注入され、及び／又は、捕獲されることがある。
【００２１】
例えば、信頼性センサ１００は、上述のような基板１０１のチャネル領域１０６の上部に直接形成されたゲート絶縁層とすることができるゲート誘電体層１０５を含むことができる。さらに、例えば、ゲート誘電体層１０５が酸化物層であり、基板１０１がシリコン基板である場合には、ゲート誘電体層１０５とチャネル領域１０６との間の界面は、Ｓｉ−ＳｉＯ２界面である。ホットキャリア２０２は、ゲート誘電体層１０５とシリコン・チャネル領域１０６との間の界面に沿って捕獲されることがあり、大部分は、ドレイン領域１０３に近いゲート誘電体層１０５の内部に捕獲される。捕獲されたホットキャリアは、「界面状態」にあるといわれることもあり、より多くの電荷が捕獲されるとき、時間経過に伴って増加する空間電荷（体積電荷）を形成することがある。
【００２２】
時間経過に伴って、例えば、半導体チップの通常の使用の際に、これらの捕獲されたホットキャリア又はこれらの捕獲されたホットキャリアが形成した空間電荷が、本実施形態においては信頼性センサ１００であるＦＥＴの特性の少なくとも一部をシフトさせることがある。このような特性は、例えば、閾値電圧（Ｖｔｈ）、オンスイッチ電流（Ｉｏｎ）及び伝達コンダクタンス（ｇｍ）を含むことができる。例えば、「界面状態」にある電子は、クーロン散乱の中心として働き、特にドレイン領域１０３に近い領域において、他の電子の局所的な表面移動度を減少させ、フラットバンド電圧を増大させることがある。実質的に時間経過に伴ってホットキャリアによって誘起された損傷が蓄積されると、フラットバンド電圧の増大及び局所的な表面移動度の減少の組み合わされた効果は、ドレイン電流（Ｉｏｎ）全体の著しい低下で実証される又は明らかになる。ホットキャリア注入によって引き起こされたＦＥＴデバイスの劣化及び／又は不安定性は、「ホットキャリア効果」と呼ばれることもある。上記の特性のシフトは、ＦＥＴデバイスのエージング効果としても知られる。
【００２３】
本発明の別の実施形態による、応力条件に曝される前及び後の電界効果トランジスタのサンプルテスト結果のグラフである、図４を手短に参照する。試験用のＦＥＴは、ｎ型ＣＭＯＳ−ＦＥＴ（ＮＦＥＴ）であり、プレストレス(pre-stress）条件におけるドレイン電流対ドレイン電圧の測定結果が最初に記録され、図４に実線として示される。次に、ＦＥＴは、ゲートに３ボルト（３Ｖ）の電圧が印加され、ドレインに８ボルト（８Ｖ）の電圧が印加され、ソースが１４時間（１４ｈ）接地された応力条件下に置かれた又は曝された。上記の応力条件は、長期間にわたって、大抵の場合は何年にもわたって、通常の順方向の飽和動作条件下で通常のＦＥＴの可能なエージング効果をシミュレートするように注意深く設計された。上記の応力下で調整された後、次に、ＦＥＴが再びテストされ、異なるゲート電圧条件下で、異なるドレイン電圧におけるドレイン電流の可能な変化を測定した。
【００２４】
図４において、ｘ軸は、ドレインに印加される電圧を示し、ｙ軸は、測定される対応するドレイン電流を示す。測定は、２Ｖ、３Ｖ、４Ｖ及び６Ｖの４つの異なるゲート・バイアス電圧ＶＧで行なわれ、順方向の動作条件及び逆方向の動作条件の両方について行なわれた。図４では、プレストレス条件において得られたテスト結果と比較すると、不飽和条件下でＦＥＴにバイアスがかけられたときに、通常の線形領域（２Ｖ未満のドレイン電圧）におけるドレイン電流が著しく減少したことが明確に示される。この著しい減少は、フラットバンド電圧の増加及びＦＥＴのドレイン領域付近の表面移動度の減少によるものであり得る。
【００２５】
例えば約４〜５ボルト辺りのドレイン電圧の飽和状態、及び、順方向の動作条件においてＦＥＴにバイアスがかけられると、ＦＥＴの応力調整に影響を受けるドレイン電流の量は、あまりひどくならないように見える。このことは、図２を参照して説明することができる。飽和の際、ゲート・バイアス電圧がピンチオフ点２０３からドレイン１０３までの空乏領域を生成するとき、通常はチャネル領域１０６にわたって延び、ドレイン１０３に達する電子密度２０１において、ドレイン電流は、主として、ソース１０２とピンチオフ点２０３（図２）との間の逆チャネル（inverted channel）の部分の物理特性によって支配されるようになる。言い換えれば、ドレイン電流の変化は、局所的な酸化物及びピンチオフ点２０３とドレイン１０３との間の界面特性と事実上無関係である。ホットキャリアによって誘起された酸化物及び界面の損傷は、大部分がピンチオフ点２０３とドレイン１０３との間のこの空乏領域内に集中するため、ドレイン電流への影響は、不飽和状件下と比べて飽和状態下では比較的あまりひどくならない。
【００２６】
再び図２を参照する。ここで、ドレイン１０３近傍の電子密度２０１は、ソース１０２周辺のものより著しく低く、ピンチオフ点２０３を超えて空乏領域さえ引き起こしかねないことが示される。従って、ドレイン電流全体に対する捕獲されたホットキャリア２０２（又はホットエレクトロン）の影響は、一般に、あまり明らかではない。
【００２７】
図３は、本発明の別の実施形態による、逆方向の飽和動作条件下で動作される信頼性センサの例図である。例えば、本発明の実施形態は、逆方向、すなわち通常の動作方向とは反対の方向に信頼性センサ１００を動作させることにより、信頼性センサ１００のドレイン電流に対するエージング効果の影響を検出する方法を含むことができる。より具体的には、エージング効果が原因で、時間経過に伴って捕獲されたホットキャリアにより引き起こされるチャネル電流（ドレイン電流）の変化又は低下を検出するために、電圧をソース１０２に印加し、かつ、ドレイン１０３を接地することによって、信頼性センサ１００に逆バイアスをかけ、好ましくは、飽和状態において逆バイアスをかけることができる。図３に示されるように、この逆方向の飽和動作条件下で、電子は、”ソース”１０３から”ドレイン”１０２の方向に流れ、電子密度３０１を形成する。通常の順方向の飽和動作条件下では、”ソース”１０３は実際にはドレインであり、”ドレイン”１０２は実際にはソースであるため、ここでは引用符””が用いられる。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、電子密度３０１は、図２に示される順方向の飽和動作方向におけるような電子密度２０１の鏡像と実質的に類似することができ、”ソース”１０３から”ドレイン”１０２に減少することができる。本発明の実施形態に従って、信頼性センサ１００を通常の動作方向とは反対のこの逆方向に動作させることにより、「ソース」１０３の近傍で、ずっと大きい電子密度３０１を得ることができる。これにより、図２におけるような通常の順方向の飽和動作条件の際に蓄積されたホットキャリア２０２であった、捕獲されたホットキャリア３０２によって引き起こされるドレイン電流への影響を、ドレイン１０３近傍のこの大きな電子密度により拡大することができる。従って、この影響をより容易に検出できるようになる。それぞれ図２及び図３に示されるように、順方向の飽和動作条件及び逆方向の飽和動作条件下で信頼性センサ１００が動作されるとき、ドレイン付近の電子密度の著しい差が認識されるであろう。
【００２９】
さらに、本発明の実施形態は、飽和動作条件の上記の点に限定されないことを理解すべきである。不飽和動作条件下でさえ、多くの場合、ドレイン領域１０３付近の電子密度３０１が順方向の飽和動作条件下のものより大きく、本発明のさらに別の実施形態による「ホットキャリア」が引き起こす影響の検出をより容易にすることから、ドレイン電流の変化を検出するために、逆方向の不飽和動作条件を同様に用いることができる。それにもかかわらず、逆方向の飽和動作条件は、一般的に好ましいものであり、実質的に同じゲート及びドレイン・バイアス電圧を有することを意味する順方向の飽和動作条件を鏡像表示（反転、mirror）する逆方向の飽和動作条件は、順方向及び逆方向の両方のバイアス電圧及び電流の両方を提供できるアナログ回路を用いる、信頼性センサ１００の実際の実施の容易さを考えるときにより好ましいものであり得る。
【００３０】
再び図４を手短に参照する。飽和状態における順方向の動作条件と比較すると、特に印加されるドレイン電圧が約３ボルトから約５ボルトまでの範囲にわたるとき、逆方向の飽和動作条件下のＦＥＴのチャネル・ドレイン電流には、はるかに大きい顕著な低下がある。順方向の飽和電流と逆方向の飽和電流との間の強い非対称特性は、主として、デバイスの順方向バイアス動作中にホットキャリアによって引き起こされる、チャネルのドレイン端部の近く又はその付近における酸化物の局所化及び界面の損傷が原因である。その結果、逆方向の飽和動作条件におけるドレイン電流（Ｉｏｎ）のシフトが拡大することがある。
【００３１】
図５は、本発明の実施形態による、複数のＦＥＴ信頼性センサ及び置換用ＦＥＴを用いる半導体チップの例図である。例えば、半導体チップ４００は、複数のＦＥＴグループ４０１、４０２、４０３及び４０４を含むことができる。ＦＥＴグループの１つ又は複数は、ＦＥＴグループ４０１のための信頼性センサ４１１及びＦＥＴグループ４０２のための信頼性サンサ４２１といった、少なくとも１つの信頼性センサを含むことができる。本発明の実施形態によれば、例えば信頼性センサ４１１などの信頼性センサは、半導体チップ４００が通常の使用を始めたときに記録される初期の順方向の飽和動作電流と比較して、逆方向の飽和動作電流の変化を検出することができる。通常の順方向の飽和動作条件下での動作時間の後、より特定的には、変化が、例えば初期の順方向の飽和動作電流の５％から１０％までといった特定の百分率より大きくなるとき、信頼性センサ４１１は、例えば図６を参照してより詳細に後述されるそのサポートするアナログ回路を介して、信頼性警告信号を提供することができる。警告信号は、動作電流の変化の度合いに基づいてスケーリング又は格付けすることができ、場合によっては、ＦＥＴグループ４０１が許容できないレベルの信頼性故障に近づきつつあることを示すことができる。
【００３２】
本発明のさらに別の実施形態によれば、半導体チップ４００が通常の使用を始めたときの同じ順方向の動作電流の初期値と比較して、信頼性センサ４１１が順方向の飽和動作電流の変化を検出するとき、より特定的には、変化が、例えば初期値の５％から１０％までといった特定の百分率より大きくなるとき、信頼性センサ４１１は、半導体チップ４００の全体の性能にとって重要であると考えられる予め選択された組のＦＥＴとすることができる、ＦＥＴグループ４０１内のＦＥＴの一部を、内蔵のバックアップ用ＦＥＴ４１２の組と置き換えるかどうかに関する外部命令を促すことができる。本発明のさらに別の実施形態において、信頼性センサ４１１は、自動的に、最初の重要な信頼性警告信号の提供又は外部命令の獲得の有無に関わらず、予め選択された組のＦＥＴの組を内蔵バックアップ用ＦＥＴ４１２の組と置き換える及び／又は修復することができる。
【００３３】
図６は、本発明の別の実施形態による、信頼性センサの動作をサポートするアナログ回路の例図である。例えば、アナログ回路６００は、信頼性センサＴ０に対して、双方向の、すなわち順方向及び逆方向の両方の動作をサポートすることができる。Ｔ０は、ｎ型ＣＭＯＳ−ＦＥＴ（ＮＦＥＴ）とすることができ、図３を参照して既述した信頼性センサ１００とすることができる。図６において、Ｐ１、Ｐ２、Ｎ１及びＮ２の電圧ブリッジは、“ｔｅｓｔ”がロジックローであり、“ｔｅｓｔｂ”がロジックハイであるときに、信頼性センサＴ０に順方向のバイアス電圧を与え、“ｔｅｓｔ”がロジックハイであり、“ｔｅｓｔｂ”がロジックローであるときに、逆方向のバイアス電圧を与えるように設計することができる。本発明のさらに別の実施形態において、信頼性センサＴ０は、信頼性センサ４１１（図５）とすることができ、信頼性センサＴ０により信頼性が監視されている、ＦＥＴグループ４０１（図５）内部の他の機能ＦＥＴが動作するときに、少なくとも大部分の時間、順方向の飽和動作条件で動作させることができる。さらに、２対の電流ミラーＰ３−Ｐ４、Ｐ５−Ｐ６を用いて、順方向及び逆方向の両方の動作条件下でドレイン電流を信頼性センサＴ０に結合することができる。ゲート電圧ＶＧの量は、信頼性センサ４１１が、順方向及び逆方向の両方の動作条件下で常に飽和モードで動作されるように選択することができる。
【００３４】
アナログ回路６００は、信頼性センサＴ０が適切に動作するための、図６に示されるような他のコンポーネントを含むことができる。例えば、アナログ回路６００は、入力電流を出力電流に変換するトランス・インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）Ｕ１を含むことができる。さらに、Ｕ１は、ＦＥＴ  Ｐ７及びＰ８を切り換えることによって、電流ミラーＰ３−Ｐ４又は電流ミラーＰ５−Ｐ６からの電流を測定することができる。図６において、Ｕ２は、トランス・インピーダンス増幅器Ｕ１からのアナログ出力電圧をデジタル・データに変換し、デジタル・データをデジタル・メモリＵ３に保存することができる、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）である。Ｕ４は、信頼性センサＴ０を制御するために論理信号“ｔｅｓｔ”及び／又は“ｔｅｓｔｂ”を生成し、かつ、メモリ内に保存されたデジタル・データを処理し、適正なテスト時間を決定することができる、外部（又は内部）クロックを有するコントローラである。
【００３５】
図７は、本発明のさらに別の実施形態による、信頼性センサを動作させる方法の簡略化されたフローチャート図である。例えば、この方法は、第１の動作条件で、複数の電界効果トランジスタを動作させることを含むことができる（５１０）。複数のＦＥＴを、単一の集積回路内に製造することができ、複数のＦＥＴのその１つは、信頼性センサとすることができる。第１の動作条件は、順方向の飽和動作条件とすることができ、第１の動作電流及び第１の動作電圧を有することができる。この方法は、短時間、ＦＥＴの少なくとも１つ、例えば信頼性センサについての動作方向を逆にすることをさらに含むことができる（５２０）。この短時間は、複数のＦＥＴが第１の動作条件下で動作されるときの通常の時間より実質的に短いものとすることができる。例えば、この短時間は、信頼性センサとＦＥＴの残りのものとの間に、如何なる検出可能な信頼性の差ももたらさない又は生じさせないように十分に短くすることができる。ある場合においては、この短時間は、通常の時間の０．１％より短く、より好ましくは、通常の時間の０．０１％より短くすることができる。
【００３６】
本発明の１つの実施形態において、順方向の飽和動作条件とすることができる第１の動作条件の初期値は、複数のＦＥＴが初めて通常の使用を始めたときに記録することができる。動作電流及び動作電圧を含む、順方向の飽和動作条件の初期値を、それぞれ基準電流及び基準電圧として使用し、より詳細に後述されるように監視下で、時間経過に伴う複数のＦＥＴの信頼性を求めることができる。
【００３７】
この方法は、信頼性センサの第２の動作条件を測定することをさらに含むことができる（５３０）。第２の動作条件は、信頼性センサが順方向又は逆方向の飽和動作条件下にあるときに測定することができる。第２の動作条件は、例えば、第２の動作電流及び第２の動作電圧を含む。ある場合においては、順方向又は逆方向の飽和動作条件下の第２の動作電圧は、順方向の飽和動作条件下の基準電圧と実質的に同じにすることができる。
【００３８】
この方法は、第１の動作条件と第２の動作条件との間の差、より具体的には第１の動作電流と第２の動作電流との間の差を計算することをさらに含むことができ（５４０）、計算された差は、差のタイプに応じて信頼性に関連した措置をとるように促すことができる（５５０）。例えば５％又は１０％（或いは、適正であると考えることができる他のいずれかの百分率）といった所定の百分率の初期動作電流を超える、順方向の飽和動作電流の変化を、特定の予め選択された組のＦＥＴを修復する必要があるインジケータとして用いることができる。この修復は、自動的に又は外部命令を受け取ったときに、予め選択された組のＦＥＴを内蔵バックアップ用ＦＥＴの組と置き換えることを含むことができる。さらに、例えば、スケーリングされた信頼性警告信号の生成を判断する際に、初期の動作電流の例えば５％又は１０％（或いは、所定の閾値として適正であると考えることができる他のいずれかの百分率）といった所定の百分率を超える、短時間の逆方向の飽和動作中に測定された逆方向の飽和動作電流の変化を用いることができる。
【００３９】
本発明の特定の特徴を本明細書において図示し記載してきたが、多くの修正、置換、変更及び等価物が、当業者には想起されるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の精神の中に含まれるそのような全ての修正及び変更を包含することを意図することを理解すべきである。
【符号の説明】
【００４０】
１００、４１１、４２１、Ｔ０：信頼性センサ
１０１：基板
１０２：ソース
１０３：ドレイン
１０５：ゲート誘電体層
１０６：チャネル
１１１、２０１、３０１：電子密度
１１２：エネルギー電子
２０２、３０２：ホットキャリア
２０３：ピッチオフ点
４００：半導体チップ
４０１、４０２、４０３、４０４：ＦＥＴグループ
６００：アナログ回路
【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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【図７】
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