本申请是2015年11月10日提交的美国申请no.14/937,297的部分继续，通过引用以其整体将其并入本文。
背景技术：
本发明总体上涉及用于测试电气部件和电路的电路。更特别地，本发明涉及用于在半导体集成电路和部件的电迁移测试中使用的电流脉冲电路。
半导体可靠性测试要求通常在基于具体测试参数（例如热载子、电迁移等等）的从−50℃变动至+350℃的受控温度下连续施加电刺激。特别地对于电迁移测试，使用dc电流的测试由于其简单性、内置保守性和相对低的成本而已始终是优选方法。然而，工艺小型化的进展已致使dc测试不足，因此使得在脉冲条件下的类似测试是必要的。
因此常常在测试电气部件和电路中采用电流脉冲。理想的脉冲刺激应该允许脉冲重复率、占空比、极性和强度（振幅）的灵活控制。在图1a和1b中图示这些参数，其中t是周期、频率（f）是脉冲重复率（hz）、占空比是2tp/t；正振幅是ap，并且负振幅是an（伏特，安培）。当需要高重复率的电流脉冲（例如在脉冲电迁移测试的情况下）时，所需脉冲通常是矩形的。因此，在最小过冲的情况下电流电平之间的转变必须是突然的，以在每个电平有效地提供预期电流驱动。图1a和1b分别示出对于双极和单极电流脉冲的电流电平之间的转变。理想地，如在图1a和1b中示出的，从“dc电平”（频繁地是“gnd”）至所需电流（为了简单起见“ap”或“an”或通常“a”）的转变是突然的。
然而，事实上，这样的转变花费时间并且可能太慢而无法达到所需的最大电流电平a。如在授予krieger等人的题为“circuitandmethodforpulsedreliabilitytesting”的美国专利no.6,249,137中和授予cuevas等人的题为“pulsedcurrentgeneratorcircuitwithchargebooster”的美国专利no.7,049,713中描述的，通过使用两个恒定电流（dc）源和充电升压电路来实施用来实现电流脉冲的有效技术。然而，由于其对分立且潜在过时的晶体管的依赖性，使用此技术已变得困难。此外，积极性的半导体标度已推低了脉冲电流电平，使得它难以消除脉冲过冲。电路中相对大量的分立部件连同其复杂的校准和调整增加了制造和维护成本。因此，期望提供一种可以实现期望的电流脉冲以及克服上面讨论的限制的高质量脉冲电流源。
技术实现要素：
根据实施例，提供了一种用于将电流脉冲应用于被测试设备（dut）的测试电路。该测试电路包括多路复用器和至少一个运算放大器和电阻器。该多路复用器输出模拟电压脉冲，并且能够生成双极和单极电压脉冲两者。该至少一个运算放大器和电阻器从多路复用器接收电压脉冲并且将该电压脉冲转换成电流脉冲。运算放大器输出电流脉冲，并且该电流脉冲取决于运算放大器和电阻器接收双极还是单极电压脉冲而是双极或单极电流脉冲。
根据另一实施例，提供了一种用于向被测试设备（dut）提供脉冲电流的方法。向多路复用器的多个输入端子提供多个不同的电压电平。通过使用多路复用器的输入选择线的输入选择组合确定多路复用器的输入端子中的哪个连接到多路复用器的输出来从所选电压电平生成电压脉冲。通过以使得任何转变地址值导致多路复用器的输出（其包括电压脉冲）的单调变化的方式向多路复用器的输入选择线指派地址值来执行多路复用器的输入选择组合。使用多个电阻器、运算放大器和电容器来将电压脉冲转换成电流脉冲。
根据又一实施例，提供了一种能够提供单极和双极电流脉冲两者的单个电路。该电路包括多路复用器和至少一个运算放大器和电阻器。该多路复用器接收至少一个正电压信号和至少一个负电压信号，并且该多路复用器能够根据其接收的电压信号生成双极和单极电压脉冲两者。该运算放大器和电阻器从多路复用器接收电压脉冲并且将电压脉冲转换成电流脉冲。运算放大器取决于该至少一个运算放大器和电阻器接收双极还是单极电压脉冲来输出双极或单极电流脉冲。
根据另一实施例，提供了一种用于向被测试设备（dut）应用电流脉冲的测试电路。该测试电路包括多路复用器、至少一个运算放大器和电阻器、以及用于使在电流电平之间的转变期间的过冲和下冲最小化的充电升压器电路。该多路复用器输出模拟电压脉冲，并且该多路复用器能够生成双极和单极电压脉冲两者。该运算放大器和电阻器从多路复用器接收电压脉冲并且将电压脉冲转换成电流脉冲。该运算放大器输出电流脉冲，该电流脉冲取决于该至少一个运算放大器和电阻器接收双极还是单极电压脉冲而是双极或单极电流脉冲。该充电升压器电路包括至少一个运算放大器、多个电阻器和电容器。
附图说明
可以通过参考结合附图进行的以下描述来最佳地理解本发明连同其更多目标和优点，在附图中：
图1a和1b分别图示在测试电子部件中有用的双极脉冲和单极脉冲。
图2是根据实施例的脉冲电流电路的概念示意图。
图3是根据实施例的充电升压器电路的概念示意图。
图4是根据实施例的脉冲电流电路和充电升压器电路的概念示意图。
图5是向被测试设备（dut）提供脉冲电流的方法的流程图。
具体实施方式
本发明总体上涉及测试电气部件和电路。本文中的实施例描述用于半导体集成电路和部件的电迁移测得的脉冲电流电路。
参考图2-5，将描述脉冲电流测试电路的实施例。图2是根据实施例的脉冲电流测试电路100的概念示意图。在所图示的实施例中，该脉冲电流测试电路100包括高速模拟多路复用器110。示例性多路复用器是商业上从马萨诸塞州的诺伍德的模拟设备公司可得到的adv3221/adv3222模拟多路复用器。该多路复用器110可以以高达10mhz（40ns脉冲）的重复率来生成单极或双极电压脉冲。该电路100的剩余部分使用快速运算放大器（其以这些速率来适当地运行）将这些电压脉冲(vin)相应地转换成电流脉冲(idut)。
电路100对共模误差的敏感性通过在地和电流源的输出之间定位被测试设备(dut)而最小化。另一优点是通过不使用差分放大器获得的，其通常与高泄漏电流相关联。
dacp120和dacn130是将数字电压信号转换成模拟电压信号的数据至模拟转换器。dacp120和dacn130分别向模拟多路复用器m1110的第二和第三输入端子提供所需的分立模拟电压电平vp和vn。也就是说，vp和vn应该足以通过rdut来驱动期望的电流。该多路复用器m1110的第一输入端子连接至地电压gnd或附加的数字至模拟转换器（dacg）以在添加至电流脉冲的期望dc分量上具有控制。在下面具有三个电压电平的示例1中，该多路复用器m1110的第四输入仍被使用并且连接至第一输入以实现输出的单调变化，即使在此示例中对于双极脉冲仅需要三个电压电平。
一般来说，该多路复用器m1110具有比电压电平少一个的输入选择线，如在下面的示例中示出的。在示例1中，两个输入选择线a0和a1确定多路复用器m1110的输入中的哪个连接至多路复用器m1110的输出（vin）。如本文中解释的，特定连接性是有意的而非任意的，其中第二输入连接至最高最大电压（在此示例中vp），第一和第四输入连接至中间的（如果适用的话，gnd或dacg），并且第三输入连接至最低电压（vn）。
以使得任何转变地址值始终导致输出的单调以及因此无缝变化（例如高=>低=>更低；低=>高=>更高）的方式来执行多路复用器m1110的通过向输入选择线a0和a1指派地址值的输入选择组合，其中下面的示例更详细地对其进行展示：
示例1：双极脉冲（三电压电平）
如在上面的示例中示出的，在从vp至vg以及从vn至vg的转变期间仅一个地址线改变。然而，如果从vp至vn的转变发生，则将输入选择指派为作为vg的转变地址的a0=1和a1=1确保了无论哪个地址线首先改变状态，该muxm1110的输出电压都单调地遵循期望的电压转变。将理解的是，在其他实施例中，在确保单调转变的情况下，如下面在示例中示出的使用分别具有三条和四条输入选择线的类似寻址方法，可以将上面描述的三电平情况扩展至四电平脉冲和五电平脉冲。
示例2：双极脉冲（四电压电平）
在上面的示例2中，在从v1至v4的转变中，存在改变状态的两条输入选择线：a2从1至0并且a0从0至1。如果a2在a0之前转变，则结果得到的转变模式是000，它被指派到v2。另一方面，如果a0在a2a0之前转变，则结果得到的转变模式是101，其被指派到v3。因此，在地址模式正在改变时，结果得到的电压变化是单调的。
示例3：双极脉冲（五电压电平）
因此，如上面示出的，利用单个地址线的每个变化来选择下一电压。例如，从v2转变至v5，将始终以那个顺序（即单调变化）来选择电压v3、v4和v5，没有间隙或复制的电压选择。
假设寄生电容cpar160和电容器c1170非常小（r5*c1小于tp或tn的百分之一；并且rnet*cpar小于tp或tn的百分之一），它们的充电和放电将花费比tp和tn更少得多的时间（图1）。考虑到那个，流过rdut180的电流idut与流过rnet190的电流相同，并且下面的关系有效：
（1）
其中
组合并布置上面等式（1）中的项产生：
（2）
=
通过设置r1=kr2和r3=kr4（其中k是受到修改的常数），具有vdut的项消除并且等式（2）可以被简化成：
（3）
和
（4）
其中对于脉冲的“高”部分vin=vp，并且对于脉冲的“低”部分vin=vn，并且
除了由偏移电压引入的误差之外，通过将dacp和dacn分别设置成vp=iprnet和vn=inrnet来获得所需的电流脉冲。为了评估电流源的准确性，最差情况的误差
其中voff(max)是(
（5）最大相对误差≤
此相对误差可以是对低电流的限制。然而，通常在受控环境中实施测量，在那里相对于设置的室温，环境温度仅变化了几度。通过使用校准、预测试偏移测量和常见的校正算法，这实现了几乎完全的误差消除。
只要电容器c1和cpar被约束至非常低的值，该电路就将不完整。对于被连接来抑制高频振荡的c1，它不是真正的限制，因为仅仅通过增加几纳秒的脉冲上升和下降时间就使它有效地运行。
在另一方面，cpar造成了真正的挑战，因为它的总值可以达到50pf或更多（封装dut、印刷电路板电容和布局的组合）。例如，在rdut=1kω和cpar=50pf的情况下，结果得到的时间常数rdutcpar是50ns（5x10-8秒），使得低电流脉冲比250ns更短实际上是不可能的。
该解决方案包括单独的充电升压器。不同于使用分立的（以及潜在废弃的）晶体管和相对复杂的电路的美国专利no.6,249,137，根据实施例提供如在图3中示出的充电升压器电路200。此方法基于“平衡衰减器”概念，其目的在于消除在突然变化期间的过冲和下冲，如脉冲的上升和下降。如在下面更详细地讨论的，该充电升压器电路200具有输入电压信号vbp和vbn（用两个dac（dacbp220和dacbn230）将其从数字转换成模拟信号），并且充电升压器电路200将其输出信号返回至rdut的顶部（在图2中标记为“vdut”）。类似于opa1140和opa2150（图2），充电升压器电路200中的运算放大器opa3260以所需的脉冲重复率足够快速地适当运行。
如在图3中示出的，类似于在图2中示出的概念电流源，通过两个dac（dacbp220和dacbn230）和4:1模拟多路复用器（m2）210的组合来驱动充电升压器电路200。相同的输入选择线用于m1110和m2210两者，但是两对dac（120、130以及220、230）是独立的，这意味着至opa1140的倒相输入的输入信号(vin)和至opa3260的非倒相输入的输入信号(vinb)是同步的，但它们的电压电平是独立的。如在图4中示出的，经由电容器c2270将充电升压器电路200的输出电压（即opa3260的输出）耦合至dut(vdut)。
表示仅在脉冲t=0+的上升或下降（转变）之后的时间并且忽略opa2150和opa3260的偏移电压和输入电流，仅在转变后通过电容器c2270和cpar160的电流满足下面的关系：
（6）
一旦转变是完整的(t>0+)，则根据上面的等式（4），电流仅流过电阻器。忽略偏移并且强加根据等式（6）的dut电压中的变化之间的相等和根据等式（4）的两个“稳定”dut电平之间的差，等式（7a）表示从低（n）至高（p）的转变并且等式（7b）表示从高（p）至低（n）的转变：
（7a）
（7b）
等式（7a）和（7b）类似于基本（无源）平衡衰减器条件，其中转变通过经由容性耦合的电荷分布来支配，而“稳态”则由从电流源流过rdut的电流来确定。k、r6、r7和c2的值就最大速度、最小噪声和最佳稳定性而针对最佳的电路性能来优化。在图4中示出组合电路300（电流源100和升压器200）的实施例。
图5是向被测试设备（dut）提供脉冲电流的方法500的流程图。在步骤510中，通过dac向脉冲电流测试电路中的多路复用器的多个输入端子提供多个不同电压电平。在步骤520中，通过使用多路复用器的输入选择线的输入选择组合确定多路复用器的输入端子中的哪个连接到多路复用器的输出来从所选的电压电平生成电压脉冲。以用于多路复用器的任何转变地址值导致多路复用器的输出的单调变化的方式来执行多路复用器的输入选择组合，并且电压脉冲是多路复用器的输出。然后，在步骤530中使用多个电阻器、运算放大器和电容器来将电压脉冲转换成电流脉冲。该方法500可以进一步包括步骤540和550。在步骤540中，使用连接至脉冲电流测试电路的充电升压器电路来使在电流电平之间的转变期间的过冲和下冲最小化。通过两个dac（其向充电升压器电路中的多路复用器的多个输入端子提供多个不同电压电平）的组合来驱动充电升压器电路，其进一步包括运算放大器、多个电阻器和电容器。至脉冲电流测试电路的运算放大器的倒相输入的信号和至充电升压器电路中的运算放大器的的非倒相输入的输入信号是同步的，但它们的电压电平是独立的（因为两个多路复用器是从相同的输入选择线馈送的），但两对dac（一对在脉冲电流测试电路中并且另一对在充电升压器电路中）是独立的。在步骤550中，允许存储在电容器中的电荷稳定以使得电流仅流过电阻器。
实时计算机可以被用来控制本文中描述的电路。根据实施例，第一步骤是通过将dacp设置成vp且将dacn设置成vn来将电流源设置成dc电平ip和in，并且相应地固定模拟多路复用器m1和m2的输入选择端子，所有都是在升压器开关为打开时（即从dut断开升压器）。然后从它们的相应峰值检测器获取结果得到的dc电压电平（由vp和vn来驱动的vdut）并且将其存储用于参考（在下文中"vpdc"和"vndc"）。接下来，将dacbp设置成比所需的足够更低的电平并且将dacbn设置成比所需的足够更高的电平，保证下冲而不是过冲。然后结合s1并且利用所需的波形来激活m1和m2的输入选择端子。在那之后，获取峰值检测器读数（vpp,vnn）并且将其分别与vpdc和vpdc相比较。在|vpp<|vpdc|且|vnn<|vndc|的可能情况下，需要更多升压。通过改变vbp和vbn来获得增加升压作用，直到结果得到的峰值检测器读数分别仅仅超过vpdc和vndc为止。此时，升压作用逐渐减少，并且该过程以收敛方式重复至任何进一步的变化都具有可忽略的影响的点。对于足够长的脉冲，甚至在没有升压的情况下vdut将逐渐“收敛”到适当的电平vpdc和vndc；然而，在相关时间常数比短脉冲（通常对于小于500ns的脉冲宽度）更长时，这样的“收敛”没提供什么帮助并且因此高效升压是必要的。要指出，用于上面迭代的实际算法（即增加和降低升压作用）与本发明无关，因为它是高效收敛的问题。实际上，诸如二进制搜索（当适用时）之类的各种算法是有效的，但是本发明不限于一个特定算法或另一个。
虽然已经详细地描述了仅仅几个实施例，但是应该认识到可以在不偏离本发明的范围的情况下以许多其他形式来实施本发明。鉴于全部前述内容，应该显而易见的是本实施例是说明性的并且是非限制性，并且本发明不被限制到本文中给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物内进行修改。