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Oszillator Stress-Sensor

IP.com Disclosure Number: IPCOM000129020D
Original Publication Date: 2005-Oct-25
Included in the Prior Art Database: 2005-Oct-25
Document File: 4 page(s) / 56K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Die Oberflaeche von Halbleiterchips kann aus verschiedenen Gruenden unter erheblichen Druck- oder Zugspannungen stehen. Durch unterschiedliche Einfluesse und Umgebungsbedingungen ist die mechanische Beanspruchung am Halbleiter schlecht definiert und haeufig nicht konstant. Vor allem hochgenaue analoge Schaltungen, insbesondere Sensoren, nehmen Schaden daran, dass sich der Offset oder die Empfindlichkeit aendern. Um den Einfluss mechanischer Beanspruchung (im folgenden „Stress“ genannt) auf integrierte Schaltungen (IC, Integrated Circuit) zu reduzieren, ist es zunaechst erforderlich, den mechanischen Stress messtechnisch erfassen zu koennen. Bisher u. a. bekannte Verfahren sind die Messung der Differenz der Normalspannungskomponenten auf der Chipoberflaeche sowie die Messung der Summe dieser Komponenten mittels MOS Transistoren. Dabei wird der Drainstrom der Transistoren analysiert, welcher von der Orientierung des Stromflusses bezueglich der Kristallachsen und vom mechanischen Stress abhaengt. Diesem Verfahren liegt die Theorie aus [1] zu Grunde, welche auch Grundlage fuer die im Folgenden beschriebene Idee ist. Eine neuartige Loesung der Problematik basiert auf dem CMOS-Ringoszillator bzw. dem Relaxationsoszillator, wobei die Summe bzw. die Differenzen der Frequenzen in den Messphasen mit dem mechanischen Stress in Beziehung gesetzt werden. Ringoszillatoren werden oftmals zum Ueberwachen von Prozessparametern beim Herstellungsprozess von Halbleiterschaltungen verwendet, weil sie eine ausgepraegte Technologieabhaengigkeit aufweisen. Die Durchlaufzeit eines im Oszillator enthaltenen Inverters haengt neben der Betriebsspannung des Inverters stark von den Parametern der MOS Transistoren ab, in erster Linie von der Stromergiebigkeit K’ und der Thresholdspannung Vth des PMOS und NMOS Transistors. Dadurch, dass die Stromergiebigkeit K’ der MOS Transistoren bekanntermassen vom mechanischen Stress abhaengt, laesst sich somit durch Verwendung eines CMOS-Ringoszillators die gewuenschte Messbarkeit des Stresses herstellen.

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Oszillator Stress-Sensor

Idee: Dr. Udo Ausserlechner, AT-Villach

Die Oberflaeche von Halbleiterchips kann aus verschiedenen Gruenden unter erheblichen Druck- oder Zugspannungen stehen. Durch unterschiedliche Einfluesse und Umgebungsbedingungen ist die mechanische Beanspruchung am Halbleiter schlecht definiert und haeufig nicht konstant. Vor allem hochgenaue analoge Schaltungen, insbesondere Sensoren, nehmen Schaden daran, dass sich der Offset oder die Empfindlichkeit aendern. Um den Einfluss mechanischer Beanspruchung (im folgenden "Stress" genannt) auf integrierte Schaltungen (IC, Integrated Circuit) zu reduzieren, ist es zunaechst erforderlich, den mechanischen Stress messtechnisch erfassen zu koennen. Bisher u. a. bekannte Verfahren sind die Messung der Differenz der Normalspannungskomponenten auf der Chipoberflaeche sowie die Messung der Summe dieser Komponenten mittels MOS Transistoren. Dabei wird der Drainstrom der Transistoren analysiert, welcher von der Orientierung des Stromflusses bezueglich der Kristallachsen und vom mechanischen Stress abhaengt. Diesem Verfahren liegt die Theorie aus [1] zu Grunde, welche auch Grundlage fuer die im Folgenden beschriebene Idee ist.

Eine neuartige Loesung der Problematik basiert auf dem CMOS-Ringoszillator bzw. dem Relaxationsoszillator, wobei die Summe bzw. die Differenzen der Frequenzen in den Messphasen mit dem mechanischen Stress in Beziehung gesetzt werden. Ringoszillatoren werden oftmals zum Ueberwachen von Prozessparametern beim Herstellungsprozess von Halbleiterschaltungen verwendet, weil sie eine ausgepraegte Technologieabhaengigkeit aufweisen. Die Durchlaufzeit eines im Oszillator enthaltenen Inverters haengt neben der Betriebsspannung des Inverters stark von den Parametern der MOS Transistoren ab, in erster Linie von der Stromergiebigkeit K' und der Thresholdspannung Vth des PMOS und NMOS Transistors. Dadurch, dass die Stromergiebigkeit K' der MOS Transistoren bekanntermassen vom mechanischen Stress abhaengt, laesst sich somit durch Verwendung eines CMOS-Ringoszillators die gewuenschte Messbarkeit des Stresses herstellen.

Weiterhin sind Schaltmittel vorgesehen, um die Stromflussrichtung der Transistoren um 90° umzuschalten. Idealerweise enthalten die Inverter des CMOS-Ringoszillators in {100}-Silizium NMOS Transistoren, deren Stromflussrichtung in [100] und in [010] Richtung geschaltet wird sowie PMOS Transistoren, deren Stromflussrichtung in [110] und [1-10] Richtung geschaltet wird. In vier aufeinander folgenden Messphasen werden alle Kombinationen dieser Richtungen variiert.

Es gibt nun mehrere Moeglichkeiten, diese vier Richtungskombinationen zu implementieren:

1) Man kann zwei MOS Transistoren im Layout um 90° gegeneinander verdrehen und mit Schaltmitteln (zumeist MOS Transistoren) so anschliessen, dass der Strom in einer Messphase nur durch den Transistor mit der 0°-Orientierung fliesst, waehrend er in der anderen Messphase nur durch den Transistor mit der 90°-Orientie...