李興鴻，趙俊萍，王 勇，方測(cè)寶，黃 鑫

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

CMOS數(shù)字IC三態(tài)輸出管腳漏電路徑分析

李興鴻，趙俊萍，王 勇，方測(cè)寶，黃 鑫

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

本文從雙電源電壓三態(tài)輸出電路原理結(jié)構(gòu)圖出發(fā)，列出了引起VOL、VOH、IOZH、IOZL失效的可能原因，通過估算指出引起高阻高電平漏電失效而其它功能參數(shù)都正常的失效模式的失效位置為輸出NMOS管的驅(qū)動(dòng)級(jí)的PMOS管漏電所致。

CMOS數(shù)字IC；三態(tài)輸出；漏電；故障定位

前言

在集成電路中，經(jīng)常用到三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)。對(duì)于三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)，通常要進(jìn)行輸出高電平（VOH）測(cè)試、輸出低電平（VOL）測(cè)試、高阻態(tài)低電平漏電（IOZL）測(cè)試、高阻態(tài)高電平漏電（IOZH）測(cè)試[1]。由于多電源端口電路比較復(fù)雜，多層金屬布線相互遮蓋后難于觀察，導(dǎo)致看似簡(jiǎn)單的端口電參數(shù)失效定位經(jīng)常出現(xiàn)一些爭(zhēng)議，故以此文為小結(jié)說明三態(tài)輸出端口可能的失效位置，以備分析參考。

1 典型的三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在的集成電路一般都有高低不同的多種電源。一種外圍電源為3.3 V、內(nèi)核電源為1.8 V、帶輸出使能控制端、具有低到高電平移位電路的數(shù)字三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[2]。其中MP 1、MN 1是輸出級(jí)的PMOS和NMOS管；MP2、MN2為柵接電源和柵接地的柵耦互補(bǔ)型MOS晶體管ESD防護(hù)單元[3]。

通過輸出使能端OEN的信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)三態(tài)輸出功能。當(dāng)輸出使能端OEN=1時(shí)，CMOS反相器PDINV輸出為高電平3.3 V，CMOS反相器NDINV的輸出節(jié)點(diǎn)低電平0 V。故MP 1和MN I都處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出端OUT為高阻狀態(tài)。當(dāng)OEN=0時(shí)，內(nèi)核輸入0～1.8 V的信號(hào)經(jīng)電平移位后產(chǎn)生0～3.3 V的輸出信號(hào)。

2 VOL失效定位

當(dāng)輸出為低電平時(shí)，在輸出與地之間加規(guī)定的灌電流IOL測(cè)試輸出電平的值VOL，VOL最大值小于一定值則認(rèn)為合格[4]。這些值有一定的分布，太小和大于規(guī)定值都應(yīng)判為失效。

太小的原因有圖1中對(duì)地ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)中的MN2保護(hù)結(jié)構(gòu)漏電或低壓擊穿、輸出MN1管PN結(jié)低壓擊穿或穿通，即MN1管有到地的并聯(lián)低阻通道。

太大的原因有輸出管MN1部分PN結(jié)損傷不受柵控使實(shí)際柵控溝道減少、柵氧受損使溝道控制能力減弱開通電阻變大，也可以是輸出級(jí)MN1管的前級(jí)CMOS（本文為NDINV）損壞導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力降低（輸出級(jí)MN1柵壓不夠高）。即為前級(jí)CMOS的NMOS漏電流大造成。因?yàn)镃MOS門電路具有波形整形作用，瑕疵波形經(jīng)過一級(jí)整形后就可正常，所以不用考慮前面的其它級(jí)的故障對(duì)輸出的影響。

太大的原因還可以是MP1輸出管沒完全關(guān)斷漏電，或?qū)﹄娫碋SD保護(hù)結(jié)構(gòu)的MP2保護(hù)結(jié)構(gòu)漏電或低壓擊穿造成。MP1輸出管的不完全關(guān)斷可以是MP1本身缺陷造成，如MP1部分PN結(jié)損傷不受柵控使實(shí)際柵控溝道減少、柵氧受損使溝道控制能力減弱開通電阻變大，也可以是MP1的前級(jí)CMOS（本文為PDINV）損壞導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力降低（MP1柵壓不夠低）。即為前級(jí)CMOS（PDINV）的PMOS漏電流大造成。

3 VOH失效定位

當(dāng)輸出為高電平時(shí)，在輸出與地之間加規(guī)定的拉電流IOH測(cè)試輸出電平的值VOH，VOH最小值大于一定值則認(rèn)為合格[4]。這些值都應(yīng)有一定的分布，太大和小于規(guī)定值都應(yīng)判為失效。

太大的原因有對(duì)電源ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)中的MP2漏電或低壓擊穿、MP1管PN結(jié)低壓擊穿或穿通，即與MP1管有到電源的并聯(lián)通道。

太小的原因有MP1管部分PN結(jié)損傷不受柵控使實(shí)際柵控溝道減少、柵氧受損使溝道控制能力減弱開通電阻變大，也可以是MP1管的前級(jí)CMOS（PDINV）損壞導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力降低（MP1柵壓不夠低）。即為前級(jí)CMOS（PDINV）的PMOS漏電流大造成。

太小的原因還可以是MN1輸出管沒完全關(guān)斷漏電，或?qū)Φ谽SD保護(hù)結(jié)構(gòu)的NMOS保護(hù)結(jié)構(gòu)漏電或低壓擊穿造成。MN1的不完全關(guān)斷可以是MN1本身缺陷造成，如MN1管部分PN結(jié)損傷不受柵控使實(shí)際柵控溝道減少、柵氧受損使溝道控制能力減弱開通電阻變大，也可以是MN1的前級(jí)CMOS（即NDINV）損壞導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力降低（MN1柵壓不夠低）。即為前級(jí)CMOS（即NDINV）的PMOS漏電流大造成。

4 IOZH失效定位

高阻態(tài)使能信號(hào)為高時(shí)（OEN=1），首先應(yīng)使輸出級(jí)的MP1及MN1都截止，然后再在輸出端加高電平測(cè)其對(duì)地的電流IOZH，此電流一般應(yīng)很小，如≤1uA。

如果IOZH大，則有如下原因：

1）MN1漏電大

2）MN2漏電大

3）MN1輕微開啟。原因是MN1的前級(jí)CMOS（NDINV）損壞導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力降低（MN1柵壓不夠低）。即為前級(jí)CMOS（NDINV）的PMOS漏電流大造成。

5 IOZL失效定位

高阻態(tài)后再在輸出端加低電平測(cè)其對(duì)電源的拉電流IOZL，此電流一般應(yīng)很小，如≤1uA。

如果IOZL大，則有如下原因：

1）MP1漏電大

2）MP2漏電大

圖1 三態(tài)數(shù)字輸出電路原理圖

3）MP1輕微開啟。原因是MP1的前級(jí)CMOS（PDINV）損壞導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力降低（MP2柵壓不夠高）。即為前級(jí)CMOS（PDINV）的NMOS漏電流大造成。

6 高阻漏電流大定位分析舉例

在某集成電路的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)多只器件三態(tài)輸出管腳的IOZH（三態(tài)輸出高電平漏電流）參數(shù)變大，達(dá)到約0.6 mA，電路功能測(cè)試正常，VOL和VOH等其它參數(shù)正常。芯片三態(tài)（高阻態(tài)）輸出管腳IOZH正常顯示值應(yīng)為±0.001 uA。在電源不上電情況下，三態(tài)輸出管腳與其他管腳IV曲線相同，有截止區(qū)，無漏電。上電后置成高阻態(tài)時(shí)此端對(duì)地有漏電，為約5 K的線性電阻。

依據(jù)第3、4節(jié)的分析，因VOL和VOH等其他參數(shù)正常、以及不加電源時(shí)無漏電，所以與輸出端（就是管腳）直接相連的MP1、MN1、MP2及MN2等均應(yīng)正常。

依據(jù)第5節(jié)的分析，排除MN1及MN2后，IOZH大的原因是MN1的前級(jí)CMOS（NDINV）的PMOS漏電流大造成。

假定閾值電壓VT=0.7 V，MN1的K系數(shù)可由NMOS管線性區(qū)方程結(jié)合VOL測(cè)試額定值計(jì)算出，然后根據(jù)測(cè)IOZH時(shí)NMOS飽和區(qū)方程計(jì)算出MN1的柵源電壓Vgs[5]。本例MN1的K系數(shù)約9 mA/V2，IOZH漏電大時(shí)MN1的Vgs約為1.06 V，計(jì)算過程略。

根據(jù)VOL測(cè)試額定值還可計(jì)算出MN1開通電阻約為50 Ω。假定輸出級(jí)管子的溝道寬長(zhǎng)比比驅(qū)動(dòng)級(jí)管子大500倍，則MN1驅(qū)動(dòng)級(jí)CMOS的NMOS管的開通電阻約25 K。由柵源電壓約為1.06V 可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)級(jí)CMOS（即NDINV）的PMOS管可等效為約50K的電阻。也就是說，本應(yīng)截止的驅(qū)動(dòng)級(jí)CMOS（即NDINV）的PMOS（截止電阻應(yīng)到GΩ量級(jí)）損傷成了約50K級(jí)的電阻了。

MN1的驅(qū)動(dòng)級(jí)CMOS的P 管漏電會(huì)影響VOL及VOH測(cè)量數(shù)值嗎？答案是不會(huì)。

如測(cè)VOL時(shí)，MN1導(dǎo)通，無論其前級(jí)NDINV的PMOS是什么狀態(tài)，NDINV的輸出應(yīng)為高電平且也會(huì)輸出高電平，對(duì)VOL無影響。如測(cè)VOH時(shí)，MP1開通（開通電阻約為50 Ω），MN1應(yīng)截止（實(shí)際未截止，約5K電阻），其前級(jí)NDINV輸出應(yīng)為低電平（實(shí)際為約1 V電壓），但電阻分壓的結(jié)果是輸出為接近電源電壓的高電平（＝0.99 Vdd-IO），因此對(duì)VOH無影響。如從VOH＝Vdd-IO-IOH×RONP（其中：IOH為測(cè)試額定電流，RONP為MP1開通電阻）來看，VOH與MN1 的前級(jí)驅(qū)動(dòng)更是沒有任何關(guān)系。

7 小結(jié)

本文從高低兩種電源電壓的三態(tài)輸出電路原理結(jié)構(gòu)圖出發(fā)，列出了引起輸出端口參數(shù)VOL、VOH、IOZH、IOZL失效的可能原因。通過舉例計(jì)算，直觀地定位出引起高阻高電平漏電失效而其它功能參數(shù)都正常的失效模式的失效位置應(yīng)為輸出NMOS管的前級(jí)CMOS驅(qū)動(dòng)級(jí)的PMOS管漏電所致。此例說明，不要見到端口漏電就判斷為端口自身損壞，仍要全面仔細(xì)分析判斷。盡可能將各種可能性都進(jìn)行鑒別，并適當(dāng)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單計(jì)算，使定位更準(zhǔn)確，以免采取了錯(cuò)誤的推進(jìn)措施而造成人力、物力及時(shí)間的浪費(fèi)而再回到問題未解決的原點(diǎn)的尷尬局面。

[1]《現(xiàn)代集成電路測(cè)試技術(shù)》編寫組.現(xiàn)代集成電路測(cè)試技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.12.

[2] 劉艷艷,耿衛(wèi)東 等. CMOS數(shù)字集成電路I/O單元設(shè)計(jì)分析[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008,41(1).

[3] A.Amerasekera and C.Duvvury. ESD in Silicon Integrated Circuits, 2nd edition[M].Wiley, 2002.

[4] MIL-STD-883，TEST METHOD STANDARD MICROCIRCUITS

[5] 高保嘉, MOS VLSI分析與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.12.

CMOS Digital IC Three-State Output Terminals Leakage Fault Localization

LI Xing-hong，ZHAO Jun-ping，WANG Yong，F(xiàn)ANG Ce-bao，HUANG Xin
(Beijing Microelectronics Technology Institute, beijing 100076)

This paper starts from circuit schematic diagram about dual power supply voltage CMOS digital IC with three-state output, listed possible causes of out states leakage, and pointed out that IOZH failure caused by leakage of PMOS which is pre-drive CMOS while other parameters are quite normal by simple calculation.

CMOS Digital IC；Three-State Output；Leakage；Fault Localization

TN432

A

1004-7204(2017)04-0080-03

李興鴻，研究員，航天大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路檢測(cè)和失效分析中心副主任，北京微電子技術(shù)研究所封裝測(cè)試中心總工程師，畢業(yè)于華南理工大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)。