Entwicklung, Untersuchung und Vergleich von
Selbsttestverfahren für integrierte Sensoren in der
Betriebsphase
Michael Fischell
Universität Bremen
2003
Entwicklung, Untersuchung und Vergleich von
Selbsttestverfahren für integrierte Sensoren in der
Betriebsphase
Vom Fachbereich für Physik und Elektrotechnik
der Universität Bremen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTOR-INGENIEURS (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Ing. Michael Fischell
aus Stuhr
Referent:
Professor Dr.-Ing. W. Anheier
Korreferent:
Professor Dr.-Ing. R. Laur
Eingereicht
am:
06.
Mai.2003
Vorwort
Diese Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Theoretische Elektrotechnik und Mikroelektronik (ITEM) der Universität Bremen. Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. W. Anheier, der es mir ermöglichte diese Arbeit zu erstellen und das Referat übernommen hat. Für die Übernahme des Korreferates danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. R. Laur.
Meinen ehemaligen Kollegen möchte ich an dieser Stelle für die wertvollen Diskussionen und Hinweise in Bezug auf meine Forschungstätigkeit danken. Mein besonderer Dank gilt hier den Herren Dipl.-Ing. S. Latzel, Dipl.-Ing. V. Meyer und Dipl.-Ing. D. Westphal.
Ich möchte an dieser Stelle auch meinen ehemaligen Studenten danken. Mit ihren Projekt-, Studien- und Diplomarbeiten haben Sie einen gewichtigen Beitrag zu dieser Dissertation ge-leistet.
Danken möchte ich aber besonders meiner Frau, meiner Tochter und meinem Bruder, die mir dabei halfen diese Arbeit zu erstellen, indem sie mir Glück und Zufriedenheit schenkten und mich mit Rat und Tat unterstützten.
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT... 1
1 EINLEITUNG... 7
2 DEFEKTE UND DEFEKTMECHANISMEN... 9
2.1 PHYSIKALISCHE UND LITHOGRAPHISCHE DEFEKTE UND IHRE AUSWIRKUNGEN... 10
2.1.1 Punktförmige Defekte... 10
2.1.2 Defekte an MOS-Transistorstrukturen... 13
2.1.2.1 Kontaktausfälle ...13
2.1.2.2 Metall-, Polysilizium- und Diffusionsrisse ...14
2.1.2.3 Oxiddefekte ...15
2.1.3 Physikalische Defekte an passiven Bauelementen... 15
2.1.3.1 Widerstandsstrukturen ...15
2.1.3.2 Kondensatorstrukturen...17
2.2 LOKAL NICHT BEGRENZTE DEFEKTE... 18
2.3 AUSWIRKUNGEN VON DEFEKTMECHANISMEN AUF BAUELEMENTE... 18
2.4 ZUSAMMENFASSUNG DER FEHLERMECHANISMEN... 19
2.4.1 Fehlerklassifizierung für analoge Schaltungen ... 21
2.4.2 Fehlermodellierung für integrierte Schaltungen ... 23
3 TESTKONZEPTE FÜR ANALOGE UND MIXED-SIGNAL-SCHALTUNGEN ... 25
3.1 EINSATZGEBIETE VON SENSORSYSTEMEN... 26
3.2 QUALITÄT UND ZUVERLÄSSIGKEIT EINES SENSORSYSTEMS... 27
3.3 AUFBAU EINES INTELLIGENTEN SENSORSYSTEMS... 28
3.3.1 Anforderungen an intelligente Sensorsysteme... 29
3.3.2 Selbsttest und Diagnose Strategien in Mikrosystemen ... 30
3.4 SELBSTTESTVERFAHREN FÜR INTEGRIERTE SENSORSYSTEME... 34
3.4.1 Offline Selbsttestverfahren ... 35
3.4.2 Online Testverfahren ... 36
3.4.3 Testverfahren für integrierte Sensorsysteme in der Betriebsphase ... 38
3.4.3.1 Meßverfahren für den Versorgungsstrom...38
3.4.3.2 Klassifizierung der BICS...40
3.4.3.3 Ausgangsspannungsanalyse...41
4 AUTOMATISIERTE TESTMUSTERGENERATION FÜR DAS BIST-VERFAHREN NACH K. DAMM ... 45
4.1 ANWENDUNG DES BIST-VERFAHRENS FÜR NÄHERUNGSWEISE LINEARE UND NICHTLINEARE SENSOREN... 45
4.1.4 Suchen nach näherungsweise linearen Bereichen ...48
4.1.4.1 Suche in linear interpolierten Pointern ...48
4.1.4.2 Suche in Spline interpolierten Pointern ...48
4.1.5 Ausgabe der Teststimulierungen ...51
4.1.6 Zusammenfassung ...52
5 NEUARTIGE VERFAHREN ZUM SELBSTTEST VON SENSOREN ... 53
5.1 BETRACHTUNG DES HYBRIDEN SELBSTTESTVERFAHRENS... 53
5.1.1 Untersuchung von toleranzbehafteten Schaltungen...55
5.1.2 Einbindung von Sensoren in eine Wheatstone-Meßbrücke...59
5.1.2.1 Die untersuchte Meßbrücke...60
5.1.2.2 Verstärkung der Brückenspannung...60
5.1.2.3 Subtraktion und Offset-Anpassung...61
5.1.2.4 Toleranzbetrachtungen der entwickelten Schaltung ...61
5.1.2.5 Festlegung einer optimalen Stimulierung ...64
5.1.2.6 Auswertung der Simulationsergebnisse...65
5.1.3 Komparator basierte Testverfahren ...70
5.1.3.1 Verwendung eines Fensterkomparators...70
5.1.3.2 Die Fenstermethode ...73
5.1.3.3 Weiterentwicklung der Fenstermethode ...75
5.1.3.4 Ablauf eines Tests mit der Fenstermethode...76
5.1.3.5 Anwendbarkeit und Grenzen der Fenstermethode...76
5.1.4 Unterschiede zwischen den fensterbasierten Testverfahren ...77
5.2 SIGNALVERARBEITUNG FÜR MEßBRÜCKEN... 78
5.3 KOMPARATORBASIERTES ONLINE-TESTVERFAHREN... 81
5.3.1 Offset-Korrektur ...83
5.3.2 Realisierungsaufwand im Vergleich zu anderen Verfahren ...86
5.3.3 Schaltungseigenschaften des integrierbaren Meßverstärker...88
5.3.3.1 Einfluß von Prozeßschwankungen ...88
5.3.3.2 Abhängigkeit der Messung von der Versorgungsspannung ...89
5.3.4 Anpassung an Logikpegel ...90
5.3.5 Fehlersimulation ...90
5.3.6 Fehlermodelle Widerstandsfehler...92
5.3.6.1 Fehlermodelle für Operationsverstärker (Transistorfehler) ...93
5.3.6.2 Auswertung der Fehlersimulationen...94
5.3.6.3 Widerstandsfehler ...97
5.3.7 Transistorfehler...98
5.3.8 Vergleich mit spannungsmessungsbasierten Testverfahren ...101
5.4 STROMMESSUNGSBASIERTE TESTVERFAHREN... 101
5.4.2 Iddq Test mit Sensorelement... 103
5.4.3 Iddq-Test mit einem Testwiderstand... 105
5.4.4 Testablauf mit einem Testwiderstand ... 109
5.4.5 Zwischenspeicherung des letzten Meßwertes (Fenster-Methode) ... 110
5.4.5.1 Analoge Multiplexer...111
5.4.5.2 Diskriminator...112
5.4.6 Verknüpfung von strom- mit spannungsmessungsbasierten Testverfahren... 113
5.4.7 Benchmark Operationsverstärker... 115
5.4.7.1 Fehleranalyse ...116
5.4.7.2 Simulation bei Variation der Referenzspannung ...118
5.4.8 Vergleich der strommessungsbasierten Testkonzepte ... 120
5.4.9 Zusammenfassung der strommessungsbasierten Testverfahren ... 120
5.4.10 Vergleich von BICS ... 121
5.5 ENTWURF EINES STROMSENSORS MIT INTEGRIERTER KOMPARATORFUNKTION... 122
5.5.1 Temperatureffekte und Kompensationsansätze ... 124
5.5.2 Zusammenfassung der Eigenschaften des neu entwickelten Stromsensors ... 129
6 ZUSAMMENFASSUNG ... 130
7 LITERATURANGABEN: ... 132
8 ANHANG... 138
8.1 ERGÄNZUNGEN FÜR DAS IN ABSCHNITT 4 VORGESTELLTE PROGRAMM... 138
8.1.1 Lineare Interpolation... 138
8.1.2 Spline Interpolation... 138
8.1.3 Ergänzung zu Abschnitt 4.1.4... 141
8.2 SCHALTBILD DES OPERATIONSVERSTÄRKERS NACH [AHR97] ... 143
ABKÜRZUNGEN
ABM Analogue Boundary Module
AD Analogue Digital
ADC Analogue Digital Converter
AGC Automatic Gain Control
AMUX Analogue Multiplexer
ASIC Application Specific Integrated Circuit
ATE Automatic Test Equipment
BICMOS Bipolar Complement Metal On Silicon
BICS Built-In Current Sensor
BILBO Built-In-Logik-Block-Observer
BIST Built-In Self-Test
CUT Circuit Under Test
DA Digital Analog
DFT Design For Testability
DUT Device Under Test
EDV Elektronische Datenverarbeitung
EEPROM Electrical Erasable Programmable Read Only Memory FFT Fast Fourier Transformation
FPGA Field Programmable Gate Array HBIST Hybrid Built-In Self-Test
HTSG Hybrid-Test-Stimulus-Generator
HSPICE Hybrid Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (Meta)
IC Integrated Circuit
IDD Current Drain Direct
Iddd Current Drain Direct Dynamic
Iddq Current Drain Direct Quite
IEEE International of Electro technical and Electronics Engineers
LTI Linear Time-Invariant
µC Microcontroller
MOS Metal On Silicon
MTBF Mean Time Between Failure
OP Operationsverstärker (Operational Amplifier) OR Oder, hier als logische Verknüpfung verwendet
PLL Phase Lock Loop
RAM Read Access Memory
SPICE Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
1 Einleitung
Bei aktuell anstehenden Problemlösungen, bereits heute und in der Zukunft noch verstärkt, gewinnt die Integration von analogen Schaltungen in Form rein analoger oder als Mixed-Signal Schaltungen zunehmend an Bedeutung. Durch Fortschritte in der Mikrosystemtechnik ist es nun möglich, Sensoren bzw. Aktoren mit in den Fertigungsprozeß der Schaltung zu integrieren. Dies resultiert in immer kleineren und intelligenteren Sensoren, die durch die in der Fertigung von integrierten Schaltungen optimierten Herstellungsprozesse immer kostengünstiger werden. Sie führen dazu, daß die Sensorik/Aktorik in neue Produkte und Marktsegmente eingeführt wird. So sind heute mikro-elektronische Systeme realisier- und denkbar, die z.B. medizinische Eingriffe unterstützen können. Diese neuen Aufgabenfelder für intelligente Sensoren stellen auch neue Anforderungen an die Zuverlässigkeit dieser Systeme. Die Entwicklung von geeigneten Selbsttestmethoden wird notwen-dig, wenn diese Sensoren sicherheitsrelevante oder lebenserhaltende Systeme mit Informationen über die physikalische oder chemische Umgebung versorgen sollen. Im Falle einer fehlerhaften Zu-weisung oder Ermittlung eines Meßwertes könnte eine unkontrollierte und unerwünschte Reaktion des Systems eintreten. Diese Fehlreaktion kann mit einer Überwachung des Sensorsystems in der Betriebsphase weitestgehend vermieden werden, wenn eine Überwachung der Funktionalität dauer-haft gewährleistet wird.
Durch die Integration von Sensoren und deren Auswerteelektronik auf einen Baustein (mono-lithische Integration) ist mit einer erhöhten Defektrate zu rechnen, da diese Zusammenlegung dazu führen kann, daß z.B. thermische Einflüsse die Alterungsrate des Gesamtsystems erhöhen.
Das verbreiterte Anwendungsgebiet für integrierte Sensorsysteme in Bereichen, wie der Medizin-, Luft- und Weltraumtechnik und nicht zuletzt der Automobilbereich, führt zu der Forderung nach selbsttestfähigen Sensoren. Nur durch den Test eines Sensorsystems ist die Funktionalität auch unter widrigen Umständen überprüfbar, so daß geeignete Maßnahmen im Falle einer Störung getroffen werden können.
In der Literatur sind aus dem Bereich des Mixed-Signal Testens zwei Testverfahren bekannt [Dam98, Ohl89]. Beide Verfahren verwenden eine Stimulierung im Eingangszweig einer Schaltung, um über eine Interpretation z.B. der Systemantwort eine Aussage über die Fehlerfreiheit der untersuchten Schaltung treffen zu können. Diese Stimulierung eines Einganges ist innerhalb einer Testphase realisierbar. Eine zeitgleiche Meßwerterfassung ist innerhalb dieser Tests nicht ausführbar, so daß die Testverfahren nicht in der Betriebsphase ausgeführt werden können.
Ziel der dieser Dissertation zugrunde liegenden Arbeiten war es, Verbesserungen der Anwendbarkeit von den bekannten Verfahren und neue Lösungsmethoden zu entwickeln, die es erlauben, eine Aussage über die Funktionalität von Sensoren in der Betriebsphase zu machen. Die neu entwickelten Lösungsansätze, die ausführlich dargestellt werden, bilden den thematischen Schwerpunkt dieser Dissertation.
Diese Arbeit gliedert sich wie folgt:
In Abschnitt 2 werden Defekte vorgestellt, die in Bezug auf die hier betrachteten monolithisch integrierten Systeme zu einem Fehlverhalten führen können. Um diese Defekte geeignet simulieren zu können sind in der Vergangenheit Fehlermodelle entwickelt worden, von denen einige für diese Arbeit wichtige Modellvorstellungen ausführlich behandelt werden sollen.
In Abschnitt 3 wird ein kurzer Überblick über analoge und digitale Testmethoden und deren Zusammenwirken gegeben, um ein Verständnis für die Problematik beim Mixed-Signal-Test zu
ermöglichen. Des Weiteren wird eine Übersicht über den Test von Mixed-Signal-Schaltungen dar-gestellt und ergänzend die Unterschiede zwischen dem Test von digitalen Schaltungen und dem Test gemischter analog/digitaler Schaltungsformen erläutert.
In Abschnitt 4 wird basierend auf einem Testverfahren nach K. Damm [Dam98] ein Verfahren vorgestellt, das den Einsatz dieses Selbsttestverfahrens vereinfacht. Ein neu entwickeltes C++ Programm vereinfacht den Einsatz des Testverfahrens, in dem es die Anzahl der notwendigen Simulationen zur Ermittlung von Teststimulierungen auf ein Minimum reduziert. Dieses Werkzeug automatisiert die Festlegung geeigneter Stimulierungen über einen Referenzspannungsknoten weitestgehend. Die Anwendung dieses Programms zeigte aber sehr deutlich die Grenzen der Eignung des Testverfahrens für toleranzbehaftete Schaltungen.
Im fünften Abschnitt wird die Problematik des Testens von Sensorsystemen beschrieben und es werden neu entwickelte Lösungsmethoden vorgestellt, die einen verbesserten Test von nicht direkt stimulierbaren Sensoren ermöglichen. Hierbei bilden toleranzbehaftete Schaltungen die Basis für die in diesem Abschnitt dargestellten neu entwickelten Selbsttestverfahren. Die vorgestellten Lösungsmethoden enthalten verschiedene Konzepte für schaltungstechnische Umsetzungen der neu entwickelten Testmethodiken. Eine Testmethode (Fenstermethode) nutzt die endliche Dynamik eines Systems aus, um eine Korrelation zwischen zeitlich benachbart gemessenen Werten herzustellen. Das Ergebnis der Korrelation wird dann als Testkriterium ausgewertet. Eine andere Testmethodik nutzt Schaltungseigenschaften eines untersuchten Meßverstärkersystems aus, dies ermöglicht einen Test während der Betriebsphase. Im Weiteren wird die Eignung der Versorgungs-strommessung für ein exemplarisches Temperaturmeßsystem aufgezeigt. Für die Untersuchung der Eignung des Wertes des Versorgungsstromes als Testkriterium ist ein neuartiger Stromsensor entwickelt worden. Dieser zeichnet sich durch eine gute Temperaturkompensation aus. Eingegangen wird ergänzend auf die Problematik der analogen Fehlersimulation und die Definition von Fehlern und ihre Tolerierbarkeit. Im Rahmen von Fehlersimulationen ist deshalb eine neuartige Klassifizierung von Fehlern eingeführt worden, die es ermöglicht Fehler differenzierter zu betrachten. Bei allen untersuchten und neu entwickelten Methodiken zur Unterstützung eines Tests während der Betriebsphase ist ein besonderer Schwerpunkt auf die Testbarkeit des Sensorelementes, das in einer Brückenschaltung angeordnet wird, gelegt worden. Die Darstellung der Ergebnisse der entwickelten Testverfahren, wie die Fenstermethode, dem auf einem "virtuellen" Widerstand basierenden Konzept und die strommessungsbasierten Tests erfolgen exemplarisch am Beispiel eines Temperaturmeßsystems.
In Abschnitt 6 wird abschließend der Inhalt dieser Dissertationsschrift zusammengefaßt und Aufgabenstellungen für weiterführende Arbeiten vorgeschlagen.
2 Defekte und Defektmechanismen
Um zu erläutern, warum der Test von mikroelektronischen Schaltungen nicht nur nach der Ferti-gung als so genannter Produktionstest notwendig ist, werden in diesem Abschnitt einige wichtige physikalische Defektmechanismen vorgestellt. Zuerst sollen diese grob klassifiziert werden, um dann die hier aufgeführten Betrachtungen der relevanten Defektarten ausführlicher darstellen zu können. Bei der Darstellung von real auftretenden Defekten und Defektmechanismen wird sich im Rahmen dieser Dissertation auf monolithisch integrierte Schaltungen und Sensorsysteme be-schränkt. Eine detailliertere Darstellung von Fehlerursachen, die in der Aufbau- und Verbindungs-technik begründet sind, wird hier nicht weiter behandelt. Führen diese Arten von Defekten z.B. zu einer Unterbrechung der Verbindung vom Sensorelement zur Auswerteelektronik (nicht mono-lithisch integriert), so können diese Fehler mit den in Abschnitt 5 neu vorgestellten Testverfahren zuverlässig erkannt werden.
Der Einfluß von Defekten auf die Eigenschaften einer Schaltung ist in der Literatur sehr ausführlich beschrieben worden [Haw85, Mal84, Mal87b, Mal88].
Das Auftreten von fehlerhaftem funktionalem Verhalten eines ICs kann seine Ursache in lokalen oder globalen Störungen eines Fertigungsprozesses haben. Globale Störungen entstehen primär durch eine oder mehrere untolerierbare Prozessierungsabweichungen. Der Einfluß von globalen Defekten stellt sich auf einer relativ großen Fläche auf dem Wafer dar. Sie werden daher üblicher-weise vor dem funktionalen oder strukturellen Testen detektiert. Hierzu werden auf dem Wafer kleine Teststrukturen aufgebracht, die z.B. optisch auf Fehlerfreiheit untersucht werden oder es wird ein so genannter Versorgungsstrom-Test ("supply-current") an den Teststrukturen durchgeführt. Eine große Anzahl von Defekten, die während funktionaler oder struktureller Tests gefunden werden, ist lokal eng begrenzt.
Fehlermechanismen für Schaltungen in der Betriebsphase sind unter anderem in [Dic78, Wey79, Edw80, Ame87] aufgeführt. Die in [Dic78] veröffentlichte und hier mit dem "Ort des Auftretens" ergänzte Tabelle 2-1 stellt eine Übersicht von Ausfällen in der Betriebsphase einer Schaltung mit den dazugehörigen Ausfallursachen dar. Da Mehrfachnennungen erlaubt waren, ergibt sich ein prozentualer Anteil von mehr als 100%.
Ort des Auftretens Ausfallursache Prozentualer Anteil
Produktion Schaltungsherstellung 66%
Produktion Schaltungsentwurf 36%
Produktion Materialfehler 22%
Applikation Geräteaufbau 12%
Applikation Schaltungsanwendung 11%
Tabelle 2-1: Ausfallursachen integrierter Schaltungen
Bei der Betrachtung der prozentualen Anteile ist zu erkennen, daß ein Großteil der Ausfälle ihre Ursache in der Schaltungsherstellung und dem Schaltungsentwurf hat. Daß die Schaltungsanwen-dung einen stärkeren Einfluß auf die Anzahl der Ausfälle haben kann, zeigt die Veröffentlichung [Wey79]. Eine darin beschriebene Untersuchung von 700 in der Betriebsphase ausgefallenen
Schaltungen ergab, daß der Anteil durch ein Mitverschulden des Anwenders (49%) größer ist, als der Anteil, der durch Herstellungsfehler bedingten Ausfälle (47%). Bei dem restlichen Anteil von 4% war eine Bestimmung der Ursache nicht durchzuführen. Die Ergebnisse beider Untersuchungen [Dic78, Wey79] spiegeln wider, daß die Anwendung eines fehlerfrei produzierten Schaltkreises zu Ausfällen in der Betriebsphase führen kann.
2.1 Physikalische und lithographische Defekte und ihre
Auswirkun-gen
In diesem Abschnitt werden physikalische Defekte an Bauelementen wie MOS-Transistoren, Widerständen und Kondensatoren beschrieben. Die folgenden Unterabschnitte vermitteln einen Überblick darüber, welche Defekte auftreten können und wie ihre Auswirkungen auf ein Bau-element sein können.
2.1.1 Punktförmige Defekte
Untersuchungen an gefertigten Wafern haben gezeigt, daß sich lokale Prozeßstörungen während der Herstellung einer integrierten Schaltung oftmals als Gebiete mit fehlendem, verändertem oder zusätzlichem Werkstoff darstellen. Diese werden in der Literatur als Punktdefekte (Spot Defects) bezeichnet. [Mal84] Da globale Defekte relativ einfach detektiert werden können und mit anderen Methoden bei der Fertigung untersucht werden, soll im Weiteren nur auf die lokalen Defekte eingegangen werden. In einem üblichen CMOS Prozeß (z.B. [ALC99]), mit mindestens einer Poly-silizium- und zwei Metallebenen können folgende Punktdefekte, die nachfolgend präzisiert werden, zu Schaltungsfehlern führen:
• Kurzschlüsse zwischen Leitungsbahnen • Offene Verbindungen (Unterbrechungen)
• Löcher im Dick-, Gate-Oxid und bei p/n-Übergängen • zusätzliche Kontakte
• fehlende Kontakte
Ergänzend können Punktdefekte in zwei Klassen eingeteilt werden:
1. Defekte die Leitungsverbindungen kurzschließen oder sie unterbrechen. Diese werden oft als katastrophale Fehler ("hard faults") bezeichnet.
2. Defekte die Leitungsverbindungen nur teilweise kurzschließen oder unterbrechen. Diese wirken sich nicht katastrophal aus, so daß sie als weiche Fehler ("soft faults") bezeichnet werden.
Abb. 2-1: Katastrophale und nicht katastrophale Defekte (Draufsicht)
Wie in Abb. 2-1 dargestellt können katastrophale und nicht katastrophale Defekte durch ver-schiedene Punktdefekte auftreten. Dargestellt sind verver-schiedene Defekte, wie sie zwischen zwei Leiterbahnen L1 und L2 auftreten können. Nur Defekt D2 führt zu einem katastrophalen Fehler (Kurzschluß), der sich wie eine niederohmige Brücke zwischen den Leitern auswirkt. Solche Defekte haben einen starken Einfluß auf die Eigenschaften der Schaltung, da sie sich struktur-verändernd auswirken können. Die Defekte D1 und D3 führen nicht zu einem direkten Kurzschluß zwischen den Leiterbahnen, sie reduzieren deren Abstand aber beträchtlich. Dieser verringerte Leiterbahnabstand kann sich in hochohmigen, brückenförmigen Defekten auswirken, er wird üblicherweise als eine Parallelschaltung von einem Widerstand (R) und einer Kapazität (C) modelliert. Die Werte von R und C lassen sich beispielhaft für Defekt D3 näherungsweise wie folgt berechnen: 2 1 SiO A C a ε × = (2.1) R SiO2 a1 A ρ × = (2.2)
In den angegebenen Gleichungen steht ρSiO2 für den Widerstand und εSiO2 für die Permeabilität
zwischen den beiden Leiterbahnen. In Abb. 2-1 kennzeichnet a1 den reduzierten Abstand zwischen
den Leiterbahnen L1 und L2.
Die Fläche zwischen dem Defekt und der Leiterbahn wird durch A repräsentiert. Der Widerstand der Brücke zwischen den Leiterbahnen ist direkt proportional, wo hingegen die Kapazität anti-proportional zum Abstand a1 ist. Gleichung (2.3) zeigt, wie sich die Impedanz aus den gemachten
Annahmen berechnen läßt: 1 2 = + ⋅ Kurzschluß R Z j π f RC für f ≠ 0 Hz (2.3) ZKurzschluß = R für f = 0 Hz (2.4) a w D1 D2 D3 L1 L2 a1
Aus Gleichung (2.3) kann daher geschlossen werden, daß die Impedanz von Kurzschlüssen nicht nur vom Abstand a1 abhängig ist, sondern auch von der Frequenz und der Phasenbeziehung
zwischen den beiden Leiterbahnen. Für niedrige Frequenzen (2.4) läßt sich ein solcher Defekt näherungsweise durch einen Widerstand modellieren, bei hohen Frequenzen hingegen kann sich der frequenzabhängige Anteil zunehmend störend auswirken. Daher muß ein Fehlermodell für derartige Defekte den Übergang berücksichtigen, wobei die Übergangsfrequenz fT abhängig von der
Geometrie des Defektes, dem Abstand a1, dem Widerstand und der Permeabilität des Isolators
(SiO2) ist. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß derartige Defekte eine Schaltung auf
vielfältige Weise beeinflussen können.
Ausgehend von der Annahme, daß Fehler in der Lithographie Auslöser von Punktdefekten sind, werden hier kurz Abweichungen von der Prozessierung und ihre Auswirkungen aufgezeigt. Fehlerhafte Masken zur Belichtung oder Verunreinigungen auf der Waferoberfläche können direkt die Entwicklereigenschaften des Fotolackes beeinflussen, so daß es zu Fehlern bei der nach-folgenden Ätzung des Fotolackes kommen kann. Partikel auf der Oberfläche des Wafers können die einfallenden Strahlen während eines Belichtungsvorganges streuen, so daß daraus eine ungenaue Maskenabbildung resultieren könnte. Diese Ätzfehler können wiederum bei nachfolgenden Prozeß-schritten zu Effekten, wie in Abb. 2-1 dargestellt, führen. Fehlerhafte Lithographieschritte führen somit zu Kurzschlüssen oder Unterbrechungen in einem Schaltkreis [Pol89].
Treten nun solche Verunreinigungen vor einem Oxidationsprozeß auf, so können Lücken ("pin-holes") in den Isolationsschichten auftreten (Abb. 2-3), welche zu Kurzschlüssen beispielsweise zwischen zwei Metallisierungsebenen führen. Verbleiben Verschmutzungen nach dem Oxidations-schritt und vor der Metallisierung auf der Oberfläche, so können auch Unterbrechungen auftreten (Abb. 2-2).
Abb. 2-2: Fehlerhafte Aluminium-Leiterbahn [Pol89] Abb. 2-3: "Pin-hole" im Oxid [Ame87]
2.1.2 Defekte an MOS-Transistorstrukturen
In diesem Abschnitt werden einige verschiedene physikalische Defekte an einer üblichen MOS-Transistorstruktur dargestellt. Folgende Ausfälle können aufgrund von physikalischen Defekten vorkommen und werden in den nächsten Unterabschnitten ausführlicher beschrieben:
• Kontaktausfälle
• Metall-, Polysilizium- und Diffusionsrisse • Defekte im Oxid
2.1.2.1 Kontaktausfälle
Kontaktausfälle können dazu führen, daß Verbindungen zwischen den Schichten z.B. Metall/ Polysilizium oder Metall/Diffusion unterbrochen sind. Sollten Kontaktausfälle alle Kontakte einer Verbindung betreffen, so führen sie zu Unterbrechungen. Bei einem MOS-Transistor können Kontaktausfälle zu Unterbrechungen an Gate, Source, Drain und Verbindungen von Substrat oder Wanne (Floating Substrat/Wanne) führen (siehe Abb. 2-3). In Tabelle 2-2 sind die Kontaktwider-stände mit ihren zulässigen Ober- und Untergrenzen innerhalb der erlaubten Streuungen zwischen der ersten Metallebene (Metall 1) und anderen Materialebenen eines CMOS Prozesses aufgelistet. ct: contact
Layer Min Norm Max Unit
N + 41 48 55 Ohm/ct P + 75 95 115 Ohm/ct Poly 13 19 25 Ohm/ct High Ohmic Poly 90 230 370 Ohm/ct N+ Capa 14.8 17 19.2 Ohm/ct Via 0.05 0.15 1 Ohm/ct
Tabelle 2-2: Kontakt Widerstände [Alc99] Abb. 2-4: Kontakt(-reihen) NMOS-Tran.[Bak98] Durch Kontaktausfälle sind aber nicht immer alle Kontakte betroffen, so daß der Ausfall eines einzelnen Kontaktes bei Kontaktreihen (siehe Abb. 2-4) lediglich zu einer Parameterveränderung, z.B. des betroffenen Transistors, führt. Im Allgemeinen werden Kontaktreihen, wo das Schaltungsdesign es erlaubt, zur Verbindung von Schichten verwendet, da die Kontaktwiderstände eines einzelnen Kontakts recht hoch sein können. Die Mehrfachkontaktierung reduziert den Kontaktwiderstand, da sie zu einer Parallelschaltung der einzelnen Kontaktwiderstände führt. Der Ausfall eines Kontaktes oder mehrerer Kontakte führt daher zu einem hyperbolischen Anstieg des gesamten Kontaktwiderstandes. Die Werte in Tabelle 2-2 beziehen sich auf Verbindungen von der ersten Metallebene zu dem angegebenen Material (Schicht). Eine Kontaktreihe zwischen Metall 1 und dem N+-Gebiet die aus sechs Kontakten besteht, hätte einen ungefähren Widerstand von 8Ω. Wäre nun ein Kontakt der Kontaktreihe defekt, so würde dies zu einer Widerstandserhöhung auf 9.6Ω führen. Bei zwei fehlenden Kontakten steigt der Widerstand auf 12Ω, bei drei Kontakten auf
16Ω, bei vier Kontakten auf 24 Ω an. Dieses Zahlenbeispiel soll verdeutlichen, daß der Ausfall eines Kontaktes oder weniger Kontakte in einer Kontaktreihe sich nur geringfügig auswirkt. Es kann daher gefolgert werden, daß bei Verbindungen mit vielen Kontakten einzelne Kontaktausfälle nur einen geringen Einfluß haben.
2.1.2.2 Metall-, Polysilizium- und Diffusionsrisse
Die Ursache für Risse in einzelnen Schichten kann z.B. durch Verunreinigungen der betroffenen Schicht während der Fertigung des ICs bedingt sein. Auch Defekte und Schmutz auf der Belichtungsmaske innerhalb des Belichtungsfensters können bei der Prozessierung mit positivem Fotolack zu einer Unterbrechung führen. Eine weitere Ursache für Risse ist durch den Effekt der Elektromigration bedingt. Elektromigration entsteht durch die Eigenschaft, daß Atome eines Materials fließen können. Diese Fließeigenschaft hängt unter anderem von der angelegten Feld-stärke, der Umgebungstemperatur und dem Diffusionsgradienten ab [Ros01]. In Abb. 2-5 wird die Auswirkung der Elektromigration an dem Beispiel einer Aluminium-Leiterbahn gezeigt.
Abb. 2-5: Unterbrechung einer Aluminiumverbindung durch Elektromigration [Pol89] Risse in Metallleitungen können ihre Ursache neben der Elektromigration und Verunreinigungen in der Prozessierung auch in scharfkantigen Stufen auf dem Wafer haben, z.B. bei sich kreuzenden Leiterbahnen. Die Metallisierungsebenen werden in der Fertigung erst nach einigen Prozeßschritten gefertigt, so daß sie auf einer unebenen von vorher angelegten Strukturen geprägten Ebene liegen. Bei einer ungenügenden Stufenüberdeckung kann es zu Unterbrechungen kommen, wie sie in Abb. 2-2 dargestellt sind. Diese Unterbrechungen können z.B. zu einem offenen Gate, Drain und Source bei MOS-Transistoren führen.
aus-flussen, so daß z.B. der Kanalwiderstand, im Gegensatz zum fehlerfreien Gate-Oxid signifikant verringert wird. Er würde somit deutlich vom Widerstandswert der anderen Transistoren abweichen oder sogar zum Kurzschluß zwischen Drain und Source führen. Ein Riß in der Polysiliziumstruktur außerhalb des Gate-Oxids, also über dem Feldoxid kann zu einem offenen Gate-Anschluß des Transistors führen. Die Funktionalität des Transistors wäre somit nicht mehr gegeben. [Kal95] 2.1.2.3 Oxiddefekte
Löcher im Oxid, wie z.B. so genannte "pin-holes", führen mitunter zu Gate-Oxiddurchbrüchen und somit zur Zerstörung eines Transistors. Diese entstehen verstärkt bei Prozessen mit sehr dünnen Gate-Oxidstärken durch fehlerhafte Oxidbildung. In lokal begrenzten Gebieten ist dann die Oxidstärke reduziert. Die verringerte Oxidstärke ermöglicht ein Durchwandern von Ladungsträgern vom Gate zum Substrat, durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld über dem Oxid. Dies kann zu einer langsamen Zunahme des Leckstromes vom Gate zum Substrat führen. Der Defekt wird irgendwann als Spätfolge zum Durchbruch des Oxides und somit zum Ausfall des Transistors führen. Die Zeitdauer, in der Defekt zum Ausfall des Transistors führt, kann in der Betriebsphase Stunden, Tage aber auch Monate dauern, so daß es notwendig ist diese Defekte so früh wie möglich aufzuspüren. Die Untersuchung des Versorgungsstroms ist geeignet, Defekte im Gate-Oxid zu erkennen, da sie sich oftmals als erhöhte Leckströme bemerkbar machen [Ven98].
2.1.3 Physikalische Defekte an passiven Bauelementen
Mit passiven Bauelementen sind im Folgenden nicht verstärkende Strukturen, wie Widerstands- und Kondensatorstrukturen zu verstehen, die an dieser Stelle auf physikalische Defekte hin untersucht werden sollen. Übliche Bauformen und die dabei auftretenden Auswirkungen der physikalischen Defekte bei CMOS-Technologien können wie folgt zusammengefaßt werden.
2.1.3.1 Widerstandsstrukturen
In der Prozeßtechnologie gibt es vier grundlegend verschiedene Arten von Widerständen: • Diffusionswiderstände
• Polysiliziumwiderstände • Wannenwiderstände • Filmwiderstände
Zur Erzeugung eines Diffusionswiderstandes werden spezielle Strukturen geformt, wie sie auch für die Prozessierung von Transistor-Diffusionsgebieten genutzt werden. Es entsteht ein so genannter Volumenwiderstand der sich durch die Länge, Breite und Tiefe der Dotierschicht ergibt. Polysili-ziumwiderstände nutzen den ohmschen Widerstand der Polysiliziumschicht aus, sie können durch Maskenformen auch mäanderförmig strukturiert werden. Durch diese Strukturierung sind Wider-standswerte von bis zu mehreren 100 kΩ realisierbar [Alc99].
Beim vergrabenen Widerstand bildet eine relativ leicht dotierte Wanne im Substrat den Widerstandskörper (Abb. 2-6).
Abb. 2-6: Wannenwiderstandsstruktur [Gra93]
Die Herstellung von Dünnfilm-Widerständen (Abb. 2-7) setzt zusätzliche Prozessierungsschritte voraus. Diese Schritte bedingen eine Sondertechnologie, so daß sie üblicherweise nicht für CMOS-Prozessierungen (z.B. [Alc99]) zur Verfügung stehen. Bei dieser Art von Widerständen werden dünne Schichten von Tantal oder Nickel-Chrom-Verbindungen auf dem Wafer aufgebracht [Gra93].
Abb. 2-7: Widerstandsstruktur in Dünnfilm-Technik [Gra93]
2.1.3.2 Kondensatorstrukturen
Abhängig von der Prozeßtechnologie lassen sich grundsätzlich verschiedene Kondensatorstrukturen beschreiben. Kondensatorstrukturen sind für analoge und Mixed-Signal Schaltungen oft unerläßlich, auch wenn nur sehr kleine Kapazitätswerte im Pikofarad-Bereich realisiert werden können. Die erste Kondensatorstruktur bildet sich durch die Isolation (SiO2) zwischen einer
Polysilizium- und einer Metallebene. Sind mehrere Polysiliziumebenen im Prozeß realisierbar, so kann auch durch eine Isolationsschicht zwischen zwei Polysiliziumebenen eine Kondensatorstruktur realisiert werden [All87]. Eine dritte Möglichkeit ist die Verwendung einer Epitaxieschicht als Gegenelektrode zu einer Polysilizium- oder Metallbahn (Abb. 2-8). Ebenfalls ist eine Struktur realisierbar, die zwischen den Metallisierungsebenen angeordnet ist. Abschließend ist es ebenfalls sinnvoll alle Leiterbahnebenen miteinander zu verknüpfen, so daß bei gleicher Fläche nahezu eine Verdopplung des Kapazitätswertes erzielt werden kann.
Abb. 2-8: Metall-/Substratebenen-Kapazität [Gra93]
Defekte in Form von Kontaktausfällen können zu einer Unterbrechung und damit dem völligen Ausfall der Kondensatorstruktur führen. Fehler im Aufbau der sehr dünnen Oxidschicht (Isolator) führen zu einer Veränderung des erwarteten Kapazitätswerts der Struktur. Durchbrüche im Oxid wirken sich durch erhöhte Verluste der Kapazität aus, da sich aufgrund erhöhter Leckströme Ladungen auf beiden Seiten der Struktur (Plattenkondensator) ausgleichen.
2.2 Lokal nicht begrenzte Defekte
Punktförmige Defekte stellen nur eine Kategorie von physikalischen Mechanismen dar, die zu defekten integrierten Strukturen führen können. Zwei weitere Kategorien kennzeichnen Defekte, die durch unsachgemäßen Gebrauch des Wafers entstehen oder durch die Struktur des Wafer-rohlings an sich bedingt sind:
1) Kratzer oder Oberflächenbeschädigungen auf dem Wafer
2) Defekte im Substrat, die zu einer Veränderung der Gitterstruktur des Wafers führen
Die erste Kategorie läßt sich durch vorsichtiges Hantieren und geeignetes Werkzeug vermeiden. Auch führen solche Defekte oftmals zu größeren Fehlergebieten, die also nicht nur lokal begrenzt sind, so daß sie sich relativ einfach detektieren lassen.
Die zweite Kategorie hingegen, die ihre Ursache in veränderten Gitterstrukturen hat, wie z.B. Gitterleerplätze, Zwischengitterdefekte u.a. wirkt sich häufig wie eine Parameterveränderung von Bauelementen aus. Diese Defekte wirken oftmals als Rekombinationszentren und verändern so die Ladungsträgerlebensdauer [Pol89]. Sie beeinflussen ebenfalls die parasitären und auch ge-wünschten Effekte von Bauelementen, so daß sich die Bauteileigenschaften verändern. Die Erkennung solcher Defekte ("soft faults") ist schwieriger, da sie sich häufig nicht struktur-verändernd, wie die zuvor beschriebenen Defekte (Abschnitt 2.1.1), auswirken.
2.3 Auswirkungen von Defektmechanismen auf Bauelemente
Die zuvor beschriebenen Defekte können sich sehr unterschiedlich auswirken, auch ist die Wahr-scheinlichkeit des Auftretens unter anderem abhängig von der Prozessierung und dem herzu-stellendem Bauelement. Um dies beschreiben zu können, ist es notwendig die Auswirkungen von Defekten in Fehlerarten zu klassifizieren. Diese Fehlerarten können offene Verbindungen, Kurzschlüsse, verringerte Leistungsfähigkeit (Spezifikationsabweichung) oder funktionale Fehler sein. Eine relative Häufigkeit von Fehlern in unterschiedlichen Bauelementen ist von A. Birolini [Bir91] zusammengefaßt worden und in Tabelle 2-3 dargestellt.
Art des Bauelements Kurzschlüsse in % Offene Verbindungen in % Abweichung in % Funktionale Fehler in %
Digital, bipolar ICs 30 30 10 30
Digital MOS ICs 20 10 30 40
Lineare ICs 30 10 10 50 Bipolar Transistor 70 20 10 -- Feldeffekt Transistor 80 10 10 -- Dioden (allgemein) 70 30 -- -- Zehner 60 30 10 -- Hochfrequenz 80 20 -- -- Optoelektronisch 10 50 40 -- Widerstände fester Wert -- 90 10 -- Widerstände variabel -- 60 20 20 Kapazitäten (Folie) 80 10 10 -- Metallfolie 40 60 -- -- Keramik 50 40 10 -- Tantal, trocken 60 20 20 -- Aluminium, nass 20 10 70 -- Spulen 10 30 -- 60 Relais 15 15 -- 70 Quarze -- 80 20 --
Tabelle 2-3: Relatives Auftreten von Fehlerarten in ausgewählten elektronischen Bauelementen Wie in Tabelle 2-3 zu erkennen ist, sind die offenen Verbindungen und Kurzschlußfehler die Fehler, die am häufigsten vorkommen. Hervorzuheben ist, daß die Angaben in Tabelle 2-3 dazu geeignet sind, eine Bewertung der Fehlerabdeckung vorzunehmen. Wenn beispielsweise alle Kurzschlußverbindungen eines Transistors mit einem Test zu finden sind, so kann dies mit einer Fehlererkennungsrate von 80% gleichgesetzt werden. Die Erkenntnisse sind auch dazu geeignet, die Qualität eines Tests zu bewerten, da sie es erlauben, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlers mit zu berücksichtigen.
2.4 Zusammenfassung der Fehlermechanismen
Zusammenfassend können die Defekte, die zu Fehlern in der Betriebsphase einer Schaltung führen, tabellarisch dargestellt werden. Hierbei sind nur diejenigen Fehler aufgeführt, die zu einer elektri-schen Fehlerauswirkung führen.
Fehlerort Fehlerursache Fehlermechanismus elektr. Fehlerauswirkung Kristallgitterdefekt im Bereich von Dotierungsübergängen Zweiter Durchbruch, Elektron-Lochpaarbildung Kurzschluß, Unterbrechung Substrat
α-Teilchen Elektron-Loch-Paarbildung Ladungsverlust
Dünnoxid Injektion und Einfang
hochenergetischer Elektronen ("hot electrons")
Verschlechterung der MOS-Schwellwertspannung und Steilheit Oxidladungen
Oxiddurchbruch infolge zu hoher elektr. Feldstärken (z.B. elektrostatische Entladung)
Leckstrom, Kurzschluß Verunreinigungen zeitabhängige Durchbrüche Leckstrom, Kurzschluß Dünn- und
Dickoxid
Alkaliionen Verarmungsbereiche an der Oberfläche, Inversion
Leckstrom, Instabilitäten und Degradationen, parasitäre MOS-Transistoren
Legierungsbildung zwischen
Metallisierung und Silizium Leckstrom, Kurzschluß Unterbrechung, isolierter Leiter
Kontakt-löcher Kristallgitterdefekte, un- gesättigtes Aluminium,
Oberflächenoxidation Elektromigration Leckströme und Kurzschlüsse an Sperrschichten, Unterbrechung von Leitern (Metall)
Elektromigration Unterbrechung Si-"Klumpen", hohe
Kanten, Kratzer Überlastung Kurzschluß (Bridging), Unterbrechung
Leitbahnen
Verunreinigung Korrosion Unterbrechung (Al), Kurzschluß (Au) Mehrlagen-leiterbahnen Al-Metallspitzen (Hillocks) Mechanische Entspannung, Elektromigration Unterbrechung "schwacher" Bonddraht thermische Ermüdung,
mechanischer Stress
Unterbrechung "starker" Bonddraht Au-Al Interdiffusion Unterbrechung
Chip- Gehäuse-Verbindung
defekte
Gehäuseverbindung geringe Wärmeleitfähigkeit, thermisches Weglaufen thermische Degradation, Kurzschluß, Unterbrechung
Tabelle 2-4: Fehlerursachen, -mechanismen und -wirkungen in der Betriebsphase mikroelektronischer Schaltungen [Dam98]
2.4.1 Fehlerklassifizierung für analoge Schaltungen
Wie beschrieben lassen sich Fehler bei der Produktion einer integrierten Schaltung in globale und lokale Fehler untergliedern. Eine präzisere Klassifizierung von Fehlern ist nach [Che98] wie folgt möglich:
Abb. 2-9: Klassifizierung von Fehlern
Die Auswirkung eines sich global auswirkenden Fehlers kann offen sichtbar, so daß er mittels optischer Überprüfung zu identifizieren ist, oder parametrisch sein. Parametrische Fehler verändert nicht die Struktur der Schaltung, sie führen aber zu Parameterabweichungen an mehreren Bau-elementen. Punktförmige Defekte, fehlendes oder zusätzliches Material und Defekte im Oxid führen zu lokalen Fehlern. Diese Fehler wirken sich oftmals strukturverändernd aus und können in katastrophale und nicht katastrophale Fehler unterschieden werden. Kurzschlüsse mit niedrigem Widerstand und offene Verbindungen (vollständige Unterbrechung) führen zu katastrophalen Fehlern. Die nicht katastrophalen Fehler stellen sich durch Abweichung von Parametern einzelner
Maskenfehlplatzierung unkontrolliertes Ätzen Lokal Global punktförmige Defekte Zusätzliches oder fehlendes Material "Pin-holes" im Oxid • strukturell • hochohmige Kurzschlüsse • unvollständige offene Verbindungen • Parameterabweichung eines Bauelements • Nichtübereinstim-mung von Bauelementen (Missmatch) • strukturell • Kurzschlüsse mit niedrigem Widerstand • vollständig offene Verbindungen • nicht strukturell • mehrfache Komponenten • Abweichung Prozeßstörungen (zufällig) offen sichtbare Fehler parametrische Fehler katastrophale Fehler nicht katastrophale Fehler Material Instabilität Prozeß Instabilität Lithographieverfahren abhängig • nicht strukturell • fehlende Material-schichten • sichtbare Beschädigungen
Bauelemente oder durch unvollständige Unterbrechungen bzw. durch Kurzschlüsse mit einer im Vergleich zum katastrophalen Kurzschluß hohem Widerstand dar.
Da bei der Herstellung von integrierten Schaltungen davon auszugehen ist, daß diese vor ihrer Auslieferung umfangreichen Fertigungstests unterzogen werden und somit alle globalen Fehler erkannt werden, muß dieser Fehlertyp für den Selbsttest in der Betriebsphase nicht weiter berück-sichtigt werden. Die Erkennung von lokalen Defekten ist mit Hilfe eines Selbsttests realisierbar, hierbei kann einerseits der Produktionstest unterstützt werden, andererseits ist eine Überprüfung im Gesamtsystem, in dem das Sensorsystem eingesetzt wird, möglich.
Die in Abschnitt 2.4 beschriebenen Fehlermechanismen, welche sich in der Betriebsphase von mikroelektronischen Schaltungen auswirken, stellen sich als lokale Fehler dar und führen vor-wiegend zu Kurzschlüssen und Unterbrechungen ( Tabelle 2-4).
In [Ohl89, Dam98, Che98] wird gezeigt, daß sich generell katastrophale ("hard faults") und nicht katastrophale Fehler ("soft faults") oder Abweichungsfehler unterscheiden lassen. Wenn ein Bau-element fehlerhaft von seinem regulären Wert abweicht, ohne daß extreme Zustände eingenommen werden, so ergeben sich nicht katastrophale Fehler. Dieser Unterschied zwischen katastrophalen Fehlern und Abweichungsfehlern wird in Abb. 2-10 dargestellt. Aufgrund fertigungsbedingter Schwankungen entsteht ein zu akzeptierender Toleranzbereich um den regulären Wert des Bauelementes herum. Überschreitet ein Wert diesen Bereich, so entsteht zunächst ein Abweichungsfehler. Nimmt die Abweichung sehr große Ausmaße an, so handelt es sich um einen Extremwertfehler (katastrophaler Fehler).
Abb. 2-10: Toleranzband-Darstellung von Fehlern
Bevor auf Modelle für analoge Schaltungen eingegangen wird, die in Abschnitt 5 dargestellten Untersuchungsergebnisse basieren auf einem CMOS-Prozeß, soll kurz die Historie der Modellie-rung dargestellt werden. Einige Ansätze zur FehlermodellieModellie-rung für die CMOS-Halbleiterher-stellung werden in [Mal85, She85, Wal87, Mei91] vorgeschlagen. Ausgehend von der Beobach-tung, daß für digitale Schaltungen Ausbeuteverluste in CMOS-Prozessen hauptsächlich durch lokale Defekte [Sta83, She85] bedingt und daß mehrfache Fehler unwahrscheinlich sind, generieren die vorgeschlagenen Ansätze einfach vorkommende katastrophale Fehler unter Verwendung von statistischen Informationen aus dem Herstellungsprozeß. Die statistischen Daten müssen die Defektgröße und den Ort des lokalen Defektes enthalten [Mal87a] (siehe Abschnitt 2.1.1). Ein
Nominalwert
Toleranz- /Gut-Bereich Abweichungsfehler
Klasse Bauteilfehler Verbindungsfehler 1. Sehr wahrscheinlich Gate zu Drain Kurzschluß Kurzschluß zwischen
Diffusionsleitungen 2. Weniger wahrscheinlich Drain-Kontakt offen
Source-Kontakt offen
Aluminium-Polysilizium Kreuzung gebrochen 3. Unwahrscheinlich Gate zu Substrat Kurzschluß
"Floating" Gate
Kurzschluß zwischen Aluminium-Leiterbahnen Tabelle 2-5: Wahrscheinlichkeit von CMOS-Fehlern [Ban82]
An dieser Stelle soll angemerkt werden, daß alle bisher vorgestellten Arbeiten Fehlerlisten auf katastrophale Fehler reduziert haben. Der Grund hierfür ist in [Sta83] angegeben. Bei digitalen und analogen Schaltungen dominieren lokale Defekte. In [Wil78] wird beschrieben, daß etwa 80% bis 90% von Fehlern in analogen Schaltungen als kurzgeschlossene oder offene Widerstände, Kapazi-täten, Dioden oder Transistoren zu finden sind.
2.4.2 Fehlermodellierung für integrierte Schaltungen
Für die Fehlermodellierung kommen daher bei analogen, integrierten Schaltungen vor allem Transistoren, Widerstände und Kondensatoren in Frage. Die Modellierung katastrophaler Fehler von Transistoren kann durch ein Widerstandsmodell vorgenommen werden [Tuc76, Ohl89].
Abb. 2-11: Modell zur Simulation katastrophaler Fehler für MOS-Transitoren [Dam98] Bei diesem Modell werden die Kurzschlüsse zwischen zwei Anschlüssen eines Transistors durch einen entsprechend kleinen Parallelwiderstand und Unterbrechungen eines Anschlusses mit einem entsprechend großen Serienwiderstand modelliert.
D G S Rsh_D_G Rsh_G_S Rsh_D_S Rop_G Rop_S Rop_D
Die in Abb. 2-11 dargestellte Transistorschaltung stellt das Simulationsmodell eines fehlerfreien Transistors dar, hierbei modellieren die Widerstände Rsh_D_G, Rsh_G_S und Rsh_D_S Kurzschlüsse
zwischen den jeweiligen Anschlüssen und die Widerstände Rop_G, Rop_D, Rop_S Unterbrechungen der
bezeichneten Transistoranschlüsse. Unter Berücksichtigung der Annahme von Einzelfehlern ist bei der Fehlersimulation immer nur einer der Widerstände aktiviert. Die übrigen Widerstände werden hierbei durch die Annahme entsprechender Größen deaktiviert (Rsh_... => ∞Ω, Rop_... => 0Ω). Zur
Modellierung der Kurzschlüsse können die Widerstände Rsh_D_G = Rsh_G_S = Rsh_D_S = 1 Ω und für
die Unterbrechungen Rop_G = Rop_D = Rop_S = 10 MΩ gewählt werden. Es ist hierbei zu beachten,
daß diese Werte an die zugrundeliegende Technologie (Fertigungsprozeß) angepaßt werden müs-sen. Nach [Por95] sind für Fehlersimulationen im Frequenzbereich den Widerständen Rop_G, Rop_D,
Rop_S Kapazitäten parallel zu schalten. Die Modellierung von Kurzschlüssen und Unterbrechungen
bei Widerständen, Kapazitäten und Dioden kann analog zum dargestellten Transistorfehlermodell mit entsprechenden Widerständen vorgenommen werden [Aug95]. Für die Simulationen in Abschnitt 5 wird dieses Fehlermodell zugrunde gelegt, wobei für einige Fehlersimulationen das Modell vereinfacht werden konnte. Diese Abweichung wird in dem Abschnitt 5.3.6.1 explizit aufgeführt.
Das bisher vorgestellte Modell berücksichtigt nicht die Struktur der Schaltung, so daß umfangreiche und zeitintensive Simulationen zur Durchführung von Fehlersimulationen die Folge sind. Ein Ansatz zur Berücksichtigung des Schaltungslayouts ist die L2RFM-Methode ("Local-Layout-Realistic-Fault-Mapping") [Ohl96a, Ohl96b], sie stellt einen realistischen Modellierungsansatz von Fehlern, vor der Erstellung des Layouts, dar. Diese Methode nutzt die Eigenschaft analoger Schal-tungen, daß Layouts oftmals typische, sich wiederholende Layoutstrukturen aufweisen, welche auf der Layoutebene einfach identifiziert werden können. Transistorpaare in der Eingangsstufe eines Operationsverstärkers oder Stromspiegel stellen typische Layout- und Schaltplanstrukturen dar. Die hauptsächlichen Funktionsmerkmale dieser Strukturen wie z.B. die symmetrische Stromaufteilung in der Eingangsstufe des Operationsverstärkers lassen sich, unter Variation von Fertigungs-parametern, nur durch das Beachten von "Matching"-Regeln beim Layout erzielen. Es ist daher üblich, entsprechende Elemente (z.B. Transistoren) in einem z.B. Stromspiegel benachbart zu platzieren. Mit der L2RFM-Methode lassen sich für diese Layoutstrukturen beispielhafte Unter-suchungen über realistische Fehlerannahmen auf der Layoutebene machen. Diese sind durch Fehlermodelle auf der Transistorebene modellierbar. Ein weiterer Vorteil der Methodik ist, daß unrealistische Fehler, wie z.B. Brücken zwischen räumlich nicht direkt benachbarten Leiterbahnen, welche sich aus der pauschalen Annahme von katastrophalen Fehlern ergeben können, ermittelt werden können. Diese unrealistischen Fehler können somit aus der Anzahl aller möglichen Fehler entfernt werden, so daß sich eine Verringerung der notwendigen Fehlersimulationen oder z.B. Testvektoren bei einem Produktionstest einstellt. Eine vorher festgelegte Fehlerabdeckung (Testqualität) läßt sich somit erzielen.
Da die L2RFM-Methode die Kenntnis des Layouts der Schaltung voraus setzt, aber ein Layout für die untersuchten Schaltungsstrukturen in Abschnitt 5 nicht existiert, konnte dieser Ansatz zur Fehlersimulation nicht angewendet werden.
3 Testkonzepte für analoge und Mixed-Signal-Schaltungen
In diesem Abschnitt werden einige Testmethoden und -verfahren für analoge und Mixed-Signal-Schaltungen beschrieben. Im Weiteren werden Verfahren vorgestellt, die sich besonders für den Test/Selbsttest von integrierten Sensoren eignen. Ergänzt werden sie durch einige wichtige Ent-wicklungstrends für die Mikrosensorik. Es wird hier nicht auf die Vielzahl von Methodiken zum Test von digitalen Komponenten eingegangen, da sie nicht im Vordergrund der Untersuchungen standen.
Da im weiteren Verlauf mikroelektronische sensorische Systeme betrachtet werden, sollen diese Begriffe zuerst definiert werden. Die Bauelemente und Schaltungen in der Mikroelektronik werden heute üblicherweise auf einer Siliziumscheibe (Wafer) gefertigt [Sch91] und weisen Bauelemente in der Größenordnung von 100 nm bis zu wenigen µm auf. Dieser Weg der Integrationstechnik wurde von Noyce und Kilby (USA) 1959 das erste Mal umgesetzt [Gos90].
Der Begriff des Sensors kann wie folgt definiert werden: Ein Sensor ist ein Bauelement, welches eine chemische, elektrische, magnetische, mechanische, optische oder thermische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt [Mid85, Eig00]. Wird das sensorische Element zusammen mit den Signalverarbeitungssystemen integriert, so wird dieses System als ein integriertes Sensorsystem [Naj88, Gar94] bezeichnet. Ist dem Sensor eine analoge Signalverarbeitung, ein Analog/Digital-Wandler, eine digitale Signalverarbeitung und ein Kommunikationsinterface hinzugefügt, so wird das System auch als "intelligenter" Sensor ("Smart Sensor") bezeichnet (siehe Abb. 3-1). In [Alb88] wird ein "Smart Sensor" als ein Sensor definiert, der für die Weiterverarbeitung, des aus dem Meßwert resultierenden analogen Signals eine digitale Schnittstelle zur Verfügung stellt. Diese ermöglicht eine Kommunikation, die auch bidirektional gerichtet sein kann, mit anderen Systemkomponenten.
Das Hauptziel bei der Entwicklung von kommunikationsfähigen Sensoren ist es, den Anpassungs-aufwand an ein Schnittstellennetzwerk oder ein übergeordnetes Steuerungssystem so gering wie möglich zu halten. Auf der Basis genormter Schnittstellen und von Kommunikationsprotokollen ist es möglich, intelligente Sensoren problemlos mit Netzwerken zu verknüpfen. Mit ihnen läßt sich der Installationsaufwand bei Meß- und Automatisierungssystemen deutlich verringern, da sie ein aus der EDV bekanntes Vorgehen des "Plug and Play" ermöglichen. Zusätzlich läßt sich die Intelligenz des Gesamtsystems dezentralisieren und Sensoren mehrfach für verschiedene Steuerungsaufgaben nutzen [Sen99]. Ein Beispiel hierfür ist der Regensensor, wie er z. Z. in einigen Automodellen eingesetzt wird. Die Information über die Regenmenge ist nicht nur für die Steuerung der Scheibenwischintervalle notwendig, sondern kann auch für die Steuerung der Be-leuchtung, des ABS (Anti-Blockier-System) usw. genutzt werden.
Für die Betrachtungen von Sensoren in der Betriebsphase wird in dieser Arbeit der Begriff des Sensorsystems eingeschränkt. Die Einschränkung betrifft die digitale Signalverarbeitung und die Kommunikationsschnittstelle. Beide wesentlichen Bestandteile eines "intelligenten" Sensorsystems sind in Bezug auf die Testbarkeit ausführlich in der Arbeit von K. Damm [Dam98] behandelt worden, so daß hier auf eine weitere Betrachtung verzichtet werden soll. In dieser Arbeit wird der Begriff des Sensors als physikalischer Wandler ohne Auswerteelektronik definiert.
Bevor auf die Testkonzepte für intelligente Sensorsysteme eingegangen wird, erfolgt zuvor die Beschreibung der Zuverlässigkeit und Qualitätssicherung und anschließend die Erläuterung der Haupteinsatzgebiete und der grundlegenden Schaltungsstrukturen.
3.1 Einsatzgebiete von Sensorsystemen
Intelligente integrierte Sensorsysteme werden in der Kraftfahrzeugtechnik (45-50%), Haushalts-technik (25-30%), dem Anlagen- und Maschinenbau (15-18%), der Nachrichten- und Daten-elektronik (5-7%) und bei diversen Konsumgütern wie Foto- und Videoanwendungen (3-5%) eingesetzt [Eig00]. Die Gründe hierfür liegen in gestiegenen Anforderungen an die Produkte und in wirtschaftlichen und technischen Interessen. Aus technischer Sicht ist es möglich durch die ver-ringerte Baugröße von Sensoren und den Einsatz von intelligenten Systemen, die eine Kommuni-kationsschnittstelle enthalten, Produkte durch den vermehrten Einsatz von Sensoren komfortabler, sicherer und funktioneller zu gestalten. Die Zuverlässigkeit eines Sensors zu steigern, sowie die Nutzungsdauer zu erhöhen sind Hauptziele bei der Entwicklung von intelligenten Sensoren. Zusätzlich zu der Fähigkeit der Selbstdiagnose können intelligente Sensoren auch Funktionen der Selbstkalibrierung und -adaption enthalten. Eine Selbstkalibrierung kann beispielsweise darin bestehen, daß der Schaltpunkt bei binären Sensoren automatisch abgeglichen wird. Der Begriff der Selbstadaption beschreibt die Fähigkeit der automatischen Anpassung an die gestellte Aufgaben-stellung, dies führt bei der Inbetriebnahme von prozeßtechnischen Anlagen zu einer erhöhten Flexibilität [Sen99]. Die Integration der beschriebenen Funktionalität wird aus wirtschaftlicher Sicht möglich, weil die Anzahl der Transistoren, die auf einen Wafer prozessiert werden können, kontinuierlich ansteigt, während die Kosten für einen Transistor abnehmen. Der Ansatz eines integrierten, intelligenten Sensorsystems wird daher in Zukunft zunehmend bisherige Konzepte von Sensorsystemen ersetzen [Tan95].
Die Auswirkung eines vermehrten Sensoreinsatzes ist im Kfz-Bereich in den letzten Jahren deutlich zu erkennen [Mar95]. So verfügen moderne Fahrzeuge nicht nur über ein vielfältiges Sicherheits-konzept wie ein Antiblockiersystem (ABS), ein Fahrdynamikstabilisierungsprogramm, Abstands-warner usw. sondern auch über ein ressourcenschonendes Motorenmanagement [Hei98]. In Tabelle 3-1 sind die wichtigsten physikalischen Größen, für die Sensorik im Kfz benötigt wird, zusammen-gefaßt.
Abstand Geschwindigkeitsregelung, Einparkhilfe
Beschleunigung Airbag, automatisch ausfahrender Überrollbügel, Klopfregelung, Rückhaltesysteme
Druck Einspritzanlage, Fahrwerk, Motorsteuerung, Reifenkontrolle Geschwindigkeit Einspritzung, Motorsteuerung, Fahrdynamikregelung, Lenkung,
Lautstärkeregelung
Luftmasse Einspritzanlage, Motorsteuerung
Position und Drehzahl
ABS, Fahrdynamikregelung, Einspritzung, Motorsteuerung, Fahrwerk, Sitz-, Fensterheber-, Schiebedach-Steuerung, Klimaanlage
Sauerstoff Geregelter Dreiwege-Katalysator
So liegt die Wertschöpfung der gesamten Elektronik in einem PKW heute bei 15% bis 20 %, wobei die Tendenz weiter steigend ist (bis zu 30% in den nächsten Jahren). Dies zeigt sich u. a. daran, daß heutige Diesel- und Ottomotoren schon bis zu 100 elektrische Kontakte besitzen, von denen 2/3 mit Sensoren und 1/3 mit Aktoren verbunden sind. Hierbei ist zu erkennen, daß die Anzahl der Sensoren im PKW oftmals von der Klassenzuordnung (Unter-, Mittel-, Oberklasse) abhängig ist. Nur der Wert der Sensorik wurde im Durchschnitt auf etwa 250 € bis 400 € je Pkw für das Jahr 2000 beziffert [Bra97, Ill00].
In der Vergangenheit standen die Kosten und die Funktion im Vordergrund, heute wird hingegen ergänzend Wert auf die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit von Systemen gelegt. Um den gestiegenen Anforderungen gerecht zu werden, können die Systeme mit der Fähigkeit der Eigen-diagnose erweitert oder redundant installiert werden [Bra97]. Verbindungen zwischen einzelnen elektronischen Baugruppen erwiesen sich in der Vergangenheit oftmals als störungsanfällig. Die Integration von sensorischen mit mikroelektronischen Komponenten hingegen erhöht die Zuver-lässigkeit des Gesamtsystems, da die Anzahl der Schnitt- und Verbindungsstellen deutlich reduziert wird [Mar95]. Sensoren werden oftmals, damit ihre Funktion die Erfassung einer chemischen oder physikalischen Größe erfüllen kann, widrigen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Diese Einflüsse wie z.B. Erschütterungen, Temperatur und Feuchtigkeit stellen hohe Anforderungen an das Gehäuse des Sensorsystems, da die empfindliche Mikroelektronik geschützt werden muß. Verkompliziert wird der Verpackungsprozeß ("Packaging"), wenn das Gehäuse des Sensorsystems die eigentliche sensorische Funktionalität nicht beeinflussen darf.
3.2 Qualität und Zuverlässigkeit eines Sensorsystems
In [Möl95, Bra97] werden für das Anwendungsgebiet von Mikrosensoren die folgenden Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit für ein Sensorsystem formuliert:
• Erreichung eines sicheren Betriebszustandes bei Ausfall des Systems
• Funktionsfähigkeit in einem Temperaturbereich von –40°C bis max. +150°C • Korrosionsbeständigkeit gegen Feuchte, Salznebel und Wasser
• Unempfindlichkeit gegen Stöße, Vibrationen und Temperaturwechsel • Resistenz gegen Benzin, Öle und Ozon
• Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störfeldern
Die formulierten anspruchsvollen Anforderungen haben die Einführung von Sensorsystemen im Kfz-Bereich um mehrere Jahre im Gegensatz zum Einsatz in industriellen Anlagen verzögert [Mar95]. Da Sensoren direkt einer "unwirtlichen" Umgebung ausgesetzt sind, ist ihre Zuverlässig-keit besonders kritisch zu sehen. In [Dam98] werden Störungen von Sensoren mit 45% aller Unterbrechungen im Produktionsablauf einer Automatisierungsanlage in Zusammenhang gebracht. Erst als zweites folgen Aktoren mit 35% aller Stillstände. Sowohl Sensoren als auch Aktoren z.B. einer Automatisierungsanlage bilden die Verbindungen von der elektrischen Steuerung zu der chemischen oder physikalischen Umgebung, daher ist es wahrscheinlicher das beide öfter zu einem Ausfall führen als die übrigen Systeme wie die zugehörigen Rechner, Kabel und Schnittstellen-Karten [Dam98]. Die erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit von Sensoren in einem Gesamtsystem führt zu der Forderung nach einer zuverlässigen Methodik, Ausfälle sicher detektieren zu können. Eine andere Möglichkeit ist, Sensorsysteme so zu entwickeln, daß sie eine geringere Ausfallwahr-scheinlichkeit haben.
3.3 Aufbau eines intelligenten Sensorsystems
In diesem Abschnitt wird der Aufbau eines intelligenten integrierten Sensorsystems beschrieben und auf die Probleme und Eigenarten bei der Diagnose und dem Selbsttest eingegangen. In Abb. 3-1 ist ein beispielhafter Aufbau eines solchen Sensorsystems dargestellt [Göp93].
Abb. 3-1: Schematischer Aufbau eines intelligenten Sensorsystems
Ein Sensorsystem besteht aus einem Meßfenster und einem Signalumformer, beides stellt das eigentliche Sensorelement dar. Das Meßfenster schränkt den Bereich, in dem die biologische, chemische oder physikalische Größe variieren darf, ein. Größen innerhalb dieser Wertebereichs-grenzen können von dem Sensorelement erfaßt werden. Bei integrierten Sensoren ist oftmals die Auswerteelektronik mit dem Sensorelement in ein Bauelement zusammengefaßt.
Welche Vorteile von einem solchen Sensorsystem zu erwarten sind, kann wie folgt zusammen-gefaßt werden [Olb94]:
• Einfache Konfiguration des Systems mittels einer digitalen Schnittstelle • Reduzierter Installationsaufwand durch verteilte Prozessorsysteme • Erhöhte Leistungsfähigkeit durch integrierte Rechenleistung • Höhere Verfügbarkeit und Testbarkeit mittels internem Selbsttest • Erhöhte Diagnosefähigkeit durch zusätzliche Ausgabeinformationen
Die aufgeführten Vorteile der intelligenten Sensorsysteme sind nur implementierbar, wenn auch die Komplexität des Systems zunehmen darf. Die Komplexität eines Systems beeinflußt die Anforde-rungen an die Testbarkeit eines Systems erheblich. Aus der Konzeption eines intelligenten Sensors nach Abb. 3-1 ist ersichtlich, daß der Test für analoge und auch digitale Schaltungsteile ausgelegt werden muß, da das System analoge (Signalverarbeitung) und digitale Komponenten (intelligente Spezialelektronik) besitzt. Dieser Test muß ausführlich, schnell und kosteneffektiv die Funktion des Sensorsystems überprüfen können.
Das zweite Problem ist die Zugänglichkeit eines komplexen Systems, da oftmals nur sehr wenige
biologische, chemische und physikalische Größen
Meßfenster
Signal-umformer intelligenteSpezialelektronik Spannungsversorgung
Signal-verarbeitung
3.3.1 Anforderungen an intelligente Sensorsysteme
Neue Anwendungen und Produkte aus den unter Abschnitt 3.1 angegebenen Bereichen stellen viel-fältige Anforderungen an intelligente Sensorsysteme. Von diesen Anforderungen sollen hier einige weitere kurz vorgestellt werden und dienen zur Ergänzung der generellen Anforderungen des Ab-schnitts 3.2.
Eine wesentliche Forderung an Anwendungen in sicherheitskritischen Bereichen ist eine erhöhte Zuverlässigkeit des Sensorsystems. Dieser kann Rechnung getragen werden, indem geeignete inte-grierte Selbsttestfunktionen (BIST) und Diagnosefunktionen eingesetzt werden. Einhergehend mit einer signifikant erhöhten Anzahl von Transistorfunktionen in einem intelligenten Sensorsystem würde die Zuverlässigkeit ohne integrierte Selbsttestfunktionen abnehmen [Tan95]. Eine weitere Forderung ist eine Toleranz gegenüber Abweichungsfehlern. Diese führt zu einer verlängerten Zeitdauer zwischen dem Auftreten von Fehlern (MTBF). Die Integration von Zuverlässigkeitsindi-katoren in dem Sensorsystem ist notwendig zur Diagnose und zur Fehlererkennung. Da Tests nach der Produktion etwa den Faktor 10 teurer als die Produktionskosten sein können, entsteht auch aus diesem Gesichtspunkt die Forderung nach einem Selbsttest, der einen schnellen, umfassenden und kosteneffizienten Test nach der Produktion unterstützt oder ermöglicht. Eine weitere Forderung ist die Erkennung von Alterungsprozessen, so daß die Austauschintervalle optimal (bestmögliche Nutzungsdauer) gewählt werden können. Daher sind Indikatoren für die Zuverlässigkeit zu entwickeln und in das System zu integrieren, so daß Alterungseffekte erkannt werden können. Eine abschließende Forderung betrifft die Ausgabeinformationen des intelligenten Sensorsystems. Durch die Implementierung von standardisierten Protokollen und Schnittstellen für Feldbussysteme in das Sensorsystem ist es möglich, nicht nur die Sensorinformationen an ein übergeordnetes System zu übertragen, sondern auch ergänzende Informationen mit zu übermitteln. Diese Informationen können mit dem Zustand des Sensorsystems zusammenhängen oder in Form von Setup-/Kalibrie-rungs-Informationen das Sensorsystem an eine Meßsituation besser anpassen. Durch die Auswahl einer standardisierten Kommunikationsschnittstelle wäre es ebenfalls denkbar, daß das Sensor-systems eines Herstellers durch ein System eines anderen Herstellers im Bedarfsfall ausgetauscht werden könnte. [Rob93]
Damit alle Anforderungen erfüllt werden können und trotzdem eine flexible Anpassung des Designs eines intelligenten Sensorsystems an die jeweilige Meßaufgabe gewährleistet werden kann, ist z.B. eine Multichip-Lösung zu wählen [Olb94]. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, da so jeder Fertigungsprozeß, ob für analoge, digitale oder mikromechanische Bausteine, optimal genutzt werden kann. Der Aufbau einer Multichip-Lösung ist in Abb. 3-2 dargestellt, hierbei ist in Bezug auf Abb. 3-1 speziell der Bereich der Spezialelektronik verfeinert unterteilt abgebildet.
Abb. 3-2: Schema eines Multichip Sensorsystems [Olb94]
Vorgeschlagen wird ein Sensorsystem das aus einem Sensorelement, einem Auswerte-ASIC und einem Mikrocontroller (µC) besteht. Das System ist durch die vorhandene Rechenleistung befähigt, Selbsttest-, Diagnose-, Kalibrierungs- und Offset-Kompensationsfunktionen (Setup Vorrichtung) zu übernehmen. Durch das Vorhandensein eines µC können ohne größeren Aufwand Feldbusfunk-tionen umgesetzt und RAMs bzw. EEPROMs angeschlossen werden. Diese Funktionalität ist nicht ohne weiteres in einem ASIC zu realisieren [Alb88]. Sie ist aber notwendig, damit die geforderte Flexibilität des Produktes gewährleistet ist und ermöglicht eine schnellere Umsetzung ("Rapid Prototyping"). Zusätzlich kann sie, im Vergleich mit einer Einzelchip-Lösung, zu geringeren Kosten führen [Olb94]. Ein Grund dafür, daß die Umsetzung in einen ASIC auch heute nicht immer realisierbar ist, ist die oftmals gegebene Einschränkung des Fertigungsprozesses. Oftmals können in einem Fertigungsprozeß nicht alle notwendigen Technologien anboten werden. Dies ist darin begründet, daß aus Kosten- und Effektivitätsgründen Fertigungsprozesse für spezielle Baugruppen optimiert werden, so daß sich andere Funktionalitäten nur eingeschränkt umsetzen lassen.
3.3.2 Selbsttest und Diagnose Strategien in Mikrosystemen
In diesem Abschnitt werden Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Sensorsystems kurz dargestellt, hierbei liegt der Schwerpunkt auf den Selbstteststrategien. Strukturiert werden die ver-schiedenen Strategien wie in Abb. 3-3 dargestellt. Im Folgenden wird auf die einzelnen Blöcke
Sensorelement
Controller (State Machine) Analoge
Signal-verarbeitung
Digitale Signal-verarbeitung Selbsttest und
Diagnose Setup Vorrichtung
Intelligentes Sensorsystem Mikrocontroller Diagnose-Interface Kontroll-Interface Kommunikations-Interface Steuer-Interface
Abb. 3-3: Ansätze für Selbsttest und Diagnose
Folgende Zuverlässigkeitsindikatoren werden in der Literatur [Olb94a] genannt: • Rauschmessung
• Temperaturmessung • Versorgungsstrom (Iddq,d,t)
• Stromdetektion zum Erkennen von open/short-Defekten • Frequenzverlauf, Oszillation
Als Zuverlässigkeitsindikatoren können die Temperatur auf dem Chip, zufällige Stromschwankun-gen (Rauschen), der Versorgungsstrom, sowohl in der Ruhephase (Iddq) als auch in der
Betriebsphase oder der Offset-Drift des Sensors gemessen werden. Unter Verwendung von Zuverlässigkeitsindikatoren können Alterungseffekte des Systems festgestellt werden. Hierbei sind aber nicht alle Zuverlässigkeitsindikatoren für eine "on-chip" Diagnose geeignet sind, da sie signifikant Chipfläche benötigen oder die Komplexität der Prozeßfolgen bei der Herstellung erhöhen.
Ein Ansatz für die Rauschmessung an PN-Übergängen wird in [Hur98] beschrieben. Es wird davon ausgegangen, daß es neben dem Eigenrauschen (thermisches Rauschen) auch andere Rauschquellen gibt. Diese zusätzlichen Quellen enthalten Prozeßinformationen und können Strukturdefekte kennzeichnen, allerdings ist eine Rauschanalyse nicht trivial und bedarf einer Vielzahl an Unter-suchungen bezüglich des Herstellungsprozesses.
Durch die Zunahme an Transistoren pro Chip und die steigenden Taktraten ist die Temperatur-messung auf dem Chip als Zuverlässigkeitsindikator immer wichtiger geworden. Durch die ge-stiegene Integration kann es zu lokalen Überhitzungen auf dem IC kommen, ein Lösungsansatz zur Temperaturüberwachung wird in [Chi00] für einen PowerPC™-Prozessor1 vorgestellt. Bei diesem
Ansatz wird ein gemessener Temperaturwert mit einem einstellbaren Wert verglichen, überschreitet der Temperaturwert den maximal zulässigen Wert, so wird dies dem Prozessor über ein Interrupt-Signal mitgeteilt.
Die Messung des Versorgungsstromes (dynamisch oder statisch) ist ein bewährtes Verfahren, die Zuverlässigkeit einer Schaltung festzustellen. Durch die Aufzeichnung des dynamischen Versorgungsstromes (IDDD) ist es möglich, Signaturen zu erstellen, die für eine
Zuverlässigkeits-analyse genutzt werden können. In [Bra93] wird vorgeschlagen, daß der maximal zulässige Ruhestrom bei etwa 5% des Versorgungsstromes in der Betriebsphase liegen sollte. Untersucht
1 PowerPC ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Apple Computer Inc. Selbsttest und Diagnose in Mikrosystemen
Zuverlässigkeits-indikatoren Redundanz Funktioneller Test System Test Hardware BIST
wurde die Stromaufnahme eines CMOS Operationsverstärkers. Eine Untersuchung der Testeigen-schaften des momentanen Stromflusses (transient supply current) [Bin94] und des Testverfahrens wird am Beispiel eines Audio-Signal-Prozessors in [Bin96] dargestellt.
Eine spezielle Art der Frequenzganguntersuchung wird in [Ara97] vorgestellt. Als Testverfahren wird vorgeschlagen eine analoge oder Mixed-Signal Schaltung während der Testphase in eine Oszillatorstruktur umzuwandeln. Fehler in der zu untersuchenden Schaltung, so hat sich gezeigt, verändern die Oszillationsfrequenz, so daß eine einfache Detektion möglich ist. Anwendbar ist die Methodik auf Verstärkerschaltungen, Operationsverstärker, Komparatoren, Schmitt-Trigger, Filter, Spannungsreferenzquellen, PLL-Schleifen und Oszillatoren.
Verschiedenste Formen von Redundanzen werden in sicherheitskritischen Anwendungen wie in der Nuklear-, Luftfahrt- oder Raumfahrttechnik verwendet. Folgende Redundanzen können eingesetzt werden: • Zeitredundanz • Mehrfache Hardware-Auslegung • Analytische Redundanz • Informelle Redundanz – Paritätsüberprüfung – Fehlererkennende Kodes – Fehlerkorrigierende Kodes
Eine zeitliche Redundanz ist dann gegeben, wenn zuerst ein Meßwert aufgenommen, dann der Sensor durch ein Referenzelement ersetzt, die Systemausgangsgröße mit einem Erwartungswert verglichen und nachfolgend wieder ein Meßwert aufgenommen und mit dem ersten Meßwert verglichen wird.
Eine mehrfache Hardwareauslegung wird in Bereichen eingesetzt, wo Kostenaspekte gegenüber der Sicherheit oder Zuverlässigkeit eine untergeordnete Rolle spielen, wie in der Luft- und Raumfahrt-technik oder industriellen NuklearRaumfahrt-technik [Olb94].
Nach [Qin00] können Diagnosemethoden zur Fehlererkennung in Steuerungssystemen auf zwei Arten realisiert werden, als physikalische Redundanz (Hardware) oder als analytische Redundanz. Der Vorteil der analytischen Redundanz ist, daß keine zusätzliche Hardware benötigt wird. Voraus-gesetzt wird hierbei, daß die vorhandenen Systeme über ausreichende Rechenleistung und Speicher-vermögen verfügen. Da diese Form der Redundanz auf Diagnosealgorithmen basiert, kann sie als Software-Lösung verstanden werden.
Informelle Redundanz wird in vielfältigen Formen in digitalen datentechnischen Systemen verwendet. Zur Darstellung einer Information bedarf es einer bestimmten Anzahl von Datenbits. Wird nun diese Anzahl erweitert (Redundanz), so ist es möglich Fehler zu erkennen oder sogar zu korrigieren. Ein Maß hierfür ist die Hamming-Distanz, die angibt um wie viele Stellen sich benachbarte Codewörter unterscheiden. Beträgt diese Distanz mehr als 1 so ist eine Fehlerer-kennung für Einzelfehler möglich, bei mehr als zwei können diese Fehler korrigiert werden. Die einfachste Form einer Redundanz ist das Anhängen eines Paritätsbits, hierbei wird die Quersumme des Datenwortes gebildet. Die Parität kann sowohl gerade als auch ungerade gewählt werden [Per92].
