CN101615588A - 一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器及使用方法 - Google Patents

一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器及使用方法 Download PDF

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胡少坚
周伟
曹永峰
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Abstract

本发明提出了一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器及使用方法。所提供的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器用以探测由特定半导体工艺制成的电阻阻值和电容容值的波动以及该电阻电容所组成RC电路频率特性与理想值间的偏差，其包括参考电荷电路、计数器和比较器，比较器的一端耦接于参考电荷电路，另一端耦接于计数器。本发明提供的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器对半导体晶圆中不同位置的相同类型电阻、电容采用本发明中的探测电路得到计数，并用本发明提供的使用方法对计数数值进行分析与比较，便可以准确而高效地得到该半导体工艺中电阻、电容的波动情况。

Description

一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器及使用方法
技术领域
本发明涉及集成电路检测领域，特别是涉及一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器及使用方法。
背景技术
随着集成电路芯片在商业和工业应用中广泛地使用，集成电路制造工艺也随之不断发展。集成电路设计进入深亚微米时代，当器件尺寸越做越小时，一个CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺从开发到成熟定型总伴随着各种各样的性能波动，其原因是工艺上存在的偏差使得同样的器件性能存在波动。
一个CMOS工艺之所以会存在各种各样的性能波动，这是由于为了达到给定的目标，工艺参数(包括掺杂，掩模技术等)总在进行不断的调整。总的来说，一次工艺样片的性能参数服从正态分布，而多次样片的均值又在所谓的guard band(安全带)内波动。最终工艺会“收敛“在接近理想值或者说特征值，而收敛所需的时间各个工艺厂商都不相同，大约2～3年左右。期间的任何模型更新变动都是正常的。也就是说在集成电路仿真设计中，会遇到不同程度的器件模型与实际器件性能存在偏差，实际器件在不同晶圆的不同位置以及出货的不同批次也存在性能波动的情况。
这在一定程度上影响到集成电路设计特别是射频集成电路设计。模拟集成电路设计对于电阻、电容的精确性有一定需求。而工艺制成的实际电阻阻值或电容容值与理想值存在偏差，这经常会导致集成电路设计需要更多次地流片实验，从而成本上升甚至失败。
为了避免这种情况，DFM(Design for Manufacturability)或DFY(Design forYield)，在目前集成电路设计领域成为非常热门的研究方向。其主要目的是希望在设计电路时就将制造过程中可能发生的性能波动情况考虑进来，利用对器件参数的波动分析(Variation analysis)，实现评估对电路性能的影响，期望能设计出有更佳容忍度的电路，以提升良率，降低成本。
为实现对器件参数的波动分析，一般来说，在集成电路设计之前需要对器件进行Process corner仿真。Process corner库需要给出工艺的2～3σ分布值，其中包括MOSFET参数，无源器件波动，互连寄生波动等等。因此，电阻、电容的参数波动情况是必须通过检测测量掌握得到。
发明内容
有鉴于上述的问题，本发明的目的在于提供一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器及使用方法，用以探测由特定半导体工艺制成的电阻的阻值和电容的容值的波动。
本发明提出了一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，用以探测由特定半导体工艺制成的电阻的阻值和电容的容值的波动，其包括参考电荷电路、计数器和比较器，比较器的一端耦接于参考电荷电路，另一端耦接于计数器。
本发明所提出的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，其中参考电荷电路还包括第一带隙电流源、第二带隙电流源、电阻和电容，第二带隙电流源并联于第一带隙电流源，电阻的一端耦接于第一带隙电流源，另一端接地，电容的一端耦接于第二带隙电流源，另一端接地。
本发明所提出的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，其中第一带隙电流源与电阻之间的节点与地之间的电压是第一电压，第二带隙电流源与电容之间的节点与地之间的电压是第二电压，第一电压和第二电压输入比较器，进行比较后输出比较结果。
本发明所提出的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，其中比较结果输入计数器，作为采样信号对计数器的电路基准时钟周期进行采样，当第一带隙电流源和第二带隙电流源开始输入带隙电流时，计数器开始计数，此时第一电压与第二电压并不相等，比较器输出高电平令计数器保持计数状态，直到电容被充电至偏压与电阻的电压相等时，比较器将跳变为输出低电平令计数器停止计数。
本发明另提出了一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的使用方法，其步骤包括：根据待检测特征电阻的特征阻值与特征电容的特征容值确定电阻电容并联电路的特征充电时间；根据特征充电时间、电路基准时钟周期计算特征电阻、特征电容的特征计数值；对实际待检测的电阻、电容进行检测计数，得到实际待检测的电阻、电容的实际计数值；以及将实际计数值与特征计数值进行比较与计算，最终得到待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差。
本发明所提出的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的使用方法，其中待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为：(实际计数值-特征计数值)÷特征计数值。
本发明提供的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器对半导体晶圆中不同位置的相同类型电阻、电容采用本发明中的探测电路得到计数，并用本发明提供的使用方法对计数数值进行分析与比较，便可以很容易得到该半导体工艺中电阻、电容的波动情况。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的结构示意图。
图2所示为根据本发明集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的使用方法的步骤流程图。
图3为根据本发明一实施例的计数器读数与电阻电容波动对照表。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
请参照图1，图1所示为本发明集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的结构示意图。
如图1所示的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的结构中，包括参考电荷电路、计数器以及比较器，比较器的一端耦接于参考电荷电路，另一端耦接于计数器。参考电荷电路还包括第一带隙电流源、第二带隙电流源、电阻R和电容C。第二带隙电流源与第一带隙电流源并联，电阻R的一端耦接于第一带隙电流源，另一端接地，电容C的一端耦接于第二带隙电流源，另一端接地。第一带隙电流源与电阻R之间的节点与地之间的电压是第一电压Vref，第二带隙电流源与电容C之间的节点与地之间的电压是第二电压Vcap，第一电压Vref和第二电压Vcap输入比较器，进行比较后输出比较结果。比较器输出的比较结果输入计数器，作为采样信号对计数器的电路基准时钟周期Tref进行采样，当第一带隙电流源和第二带隙电流源开始输入带隙电流时，计数器开始计数。此时第一电压Vref与第二电压Vcap并不相等，比较器输出高电平令计数器保持计数状态；直到电容C被充电至偏压与电阻R的电压相等时，比较器将跳变为输出低电平令计数器停止计数。
本发明另提出一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的使用方法。请继续参照图2，图2所示为根据本发明集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的使用方法的步骤流程图。具体而言，使用方法包括以下步骤：
S1：根据待检测特征电阻的特征阻值与特征电容的特征容值确定电阻电容并联电路的特征充电时间T；
S2：根据特征充电时间T、电路基准时钟周期Tref计算特征电阻、特征电容的特征计数值N；
S3：对实际待检测的电阻、电容进行检测计数，得到实际待检测的电阻、电容的实际计数值M；
S4：将实际待检测的电阻、电容的实际计数值M与特征计数值N进行比较与计算，最终得到待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差。
更进一步的，在步骤S1中，确定特征充电时间的计算公式为：特征充电时间＝第一电压×特征容值÷带隙电流值。在步骤S2中，计算特征计数值的计算公式为：特征计数值＝特征充电时间÷电路基准时钟周期。在步骤S4中，实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为：(M-N)/N。
为了更清楚的说明本发明使用方法的实施方式，特举以下实例进行说明。请继续参考图3，图3为根据本发明一实施例的计数器读数与电阻电容波动对照表。
图3对照表中的Rmax、Rmin、Rtypical分别表示电阻处于较理想值偏大状态、较理想值偏小状态和接近理想值状态；Cmax、Cmin、Ctypical分别表示电容处于较理想值偏大状态、较理想值偏小状态和接近理想值状态。在该实例中Vref＝1.21V，待检测特征电容的特征容值C＝1.1pF，带隙电流值IBG＝1uA，电路基准时钟周期Tref＝1/24M＝41.667ns，因此特征计数值N＝T/Tref＝Vref×C×IBG÷Tref＝32。也就是说，在理想状态下，特征计数值N为32。五位二进制的计数器的输出为“100001”(最高位有效位是符号位，“1”代表正值，“0”代表负值)，转换为十进制，计数器输出值为“+1”。
接着，将实际待检测的电阻和电容接入集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的参考电荷电路中，实际计数值每与“100001”相差1，实际待检测的电容和电阻将偏差1/32即3.125％。
例如图3中第一行数据表示，实际计数值为“100001”，表示此时是处在理想状态下，偏差为0，此时电阻和电容均接近理想情况。
例如图3中第二行数据表示，实际计数值为“001001”，转换为十进制，计数器输出值为“-9”，与理想状态下的“+1”相差“-10”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“-10”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝-10/32＝-31.25％，此时电阻较理想情况大，电容较理想情况大。
例如图3中第三行数据表示，实际计数值为“100010”，转换为十进制，计数器输出值为“+2”，与理想状态下的“+1”相差“+1”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“+1”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝+1/32＝+3.125％，此时电阻较理想情况小，电容较理想情况大。
例如图3中第四行数据表示，实际计数值为“000011”，转换为十进制，计数器输出值为“-3”，与理想状态下的“+1”相差“-4”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“-4”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝-4/32＝-12.5％，此时电阻接近理想情况，电容较理想情况大。
例如图3中第五行数据表示，实际计数值为“000100”，转换为十进制，计数器输出值为“-4”，与理想状态下的“+1”相差“-5”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“-5”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝-5/32＝-15.625％，此时电阻较理想情况大，电容接近理想情况。
例如图3中第六行数据表示，实际计数值为“100110”，转换为十进制，计数器输出值为“+6”，与理想状态下的“+1”相差“+5”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“+5”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝+5/32＝15.625％，此时电阻较理想情况小，电容接近理想情况。
例如图3中第七行数据表示，实际计数值为“100001”，转换为十进制，计数器输出值为“+1”，与理想状态下的“+1”相差“0”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“0”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝0/32＝0，此时电阻较理想情况大，电容较理想情况小。
例如图3中第八行数据表示，实际计数值为“100101”，转换为十进制，计数器输出值为“+5”，与理想状态下的“+1”相差“+4”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“+4”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝+4/32＝12.5％，此时电阻接近理想情况，电容较理想情况小。
例如图3中第九行数据表示，实际计数值为“101001”，转换为十进制，计数器输出值为“+9”，与理想状态下的“+1”相差“+8”，同时也意味着实际输出计数值M与特征输出计数值N相差“+8”，因此实际待检测的电阻和电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为(M-N)/N＝+8/32＝25％，此时电阻较理想情况小，电容较理想情况小。
综上所述，本发明提供的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器对半导体晶圆中不同位置的相同类型电阻、电容采用本发明中的探测电路得到计数，并用本发明提供的使用方法对计数数值进行分析与比较，便可以准确而高效地得到该半导体工艺中电阻、电容的波动情况。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，用以探测由特定半导体工艺制成的电阻的阻值和电容的容值的波动，其特征在于，包括：
参考电荷电路；
计数器；以及
比较器，上述比较器的一端耦接于上述参考电荷电路，另一端耦接于上述计数器。
2.根据权利要求1所述的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，其特征在于，其中上述参考电荷电路还包括：
第一带隙电流源；
第二带隙电流源，上述第二带隙电流源并联于上述第一带隙电流源；
电阻，上述电阻的一端耦接于上述第一带隙电流源，上述电阻的另一端接地；以及
电容，上述电容的一端耦接于上述第二带隙电流源，上述电容的另一端接地。
3.根据权利要求2所述的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，其特征在于，其中上述第一带隙电流源与上述电阻之间的节点与地之间的电压是第一电压，上述第二带隙电流源与上述电容之间的节点与地之间的电压是第二电压，上述第一电压和上述第二电压输入上述比较器，进行比较后输出比较结果。
4.根据权利要求3所述的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器，其特征在于，其中上述比较结果输入上述计数器，作为采样信号对上述计数器的电路基准时钟周期进行采样，当上述第一带隙电流源和上述第二带隙电流源开始输入带隙电流时，上述计数器开始计数，此时上述第一电压与上述第二电压并不相等，上述比较器输出高电平令上述计数器保持计数状态，直到上述电容被充电至偏压与上述电阻的电压相等时，上述比较器将跳变为输出低电平令上述计数器停止计数。
5.一种集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的使用方法，其特征在于，步骤包括：
根据待检测特征电阻的特征阻值与特征电容的特征容值确定电阻电容并联电路的特征充电时间；
根据上述特征充电时间、电路基准时钟周期计算上述特征电阻、上述特征电容的特征计数值；
对实际待检测的电阻、电容进行检测计数，得到实际待检测的上述电阻、上述电容的实际计数值；以及
将上述实际计数值与上述特征计数值进行比较与计算，得到待检测的上述电阻和上述电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差。
6.根据权利要求5所述的集成电路电阻电容工艺参数波动检测器的使用方法，其特征在于，其中待检测的上述电阻和上述电容所组成RC电路实际频率特性与理想情况下频率特性存在的偏差为：(实际计数值-特征计数值)÷特征计数值。
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