CN102645569A - Mos器件阈值电压波动性的测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOS器件阈值电压波动性的测量电路及测量方法，涉及集成电路技术领域，所述测量电路包括：类型相同的待测MOS管和标准MOS管，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接。本发明通过串联连接的待测MOS管和标准MOS管来测量待测MOS管的阈值电压的波动性，降低了测试器件结构的复杂度，并减少了测量所耗费的时间。

Description

MOS器件阈值电压波动性的测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种MOS器件阈值电压波动性的测量电路及测量方法。

背景技术

对于MOS器件而言，当Si和SiO₂界面电子浓度等于空穴浓度时，MOS器件处于临界导通的状态，此时器件的栅电压定义为阈值电压V_TH，它是MOSFET的重要参数之一。可以证明

$V_{\mathrm{TH}}={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{MS}}+2{\mathrm{\Φ}}_F+\frac{Q_{\mathrm{dep}}}{C_{\mathrm{ox}}}$

式中Φ_MS是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差的电压值，Φ_F＝(kT/q)ln(N_sub/n_i)，k是波尔兹曼常数，T是温度值，n_i是本征电子浓度，q是电子电荷，N_sub是衬底的掺杂浓度，Q_dep是耗尽区的电荷，C_ox是单位面积的栅氧化层电容。

可见MOS管的阈值电压与许多因素有关，包括衬底的掺杂浓度、氧化层的厚度、构成栅的材料、以及氧化层和界面的陷阱密度。在MOS器件的制备过程中，需要精确控制以上各种变量，才能制造出有相同器件参数如阈值电压的MOSFET。

由于MOS器件制备工艺的分散性，使得所得到器件的特征参数具有一定的离散度，随着工艺技术的不断提高，制备工艺的特征尺寸不断缩小，这种因制备工艺引入的波动性逐渐增加，在可靠性研究领域引起越来越多的关注。例如器件制造过程中通常通过向沟道区注入杂质来调整阈值电压，而杂质的注入量无法控制完全相同，进入nm量级的氧化层厚度无法做到一模一样，氧化层和界面的陷阱密度更加难以精确控制。因此，不同批次或者同一硅片不同位置处的MOS器件的阈值电压将存在一定的偏差。目前，随着集成电路设计复杂度的提高，所包含MOS器件的数目也不断增加，MOS器件关键参数的波动性对于集成电路性能的影响越来越大，因此，测定MOS器件阈值电压的统计分布十分必要。

通常的办法是通过建立在I-V特性曲线测量上的恒定电流法、线性区法、跨导法等推算得到每个器件的阈值电压，再统计出MOS器件阈值电压的分布，这种方法需要对单个MOS器件的转移特性进行单独测量，并进行相应的参数提取，由于统计分布需要的测试器件的结构复杂度较高，因此需要耗费的时间也比较长。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何降低测试器件结构的复杂度，并减少测量所耗费的时间。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MOS器件阈值电压波动性的测量电路，所述测量电路包括：类型相同的待测MOS管和标准MOS管，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接。

优选地，所述待测MOS管为PMOS管MP1时，所述标准MOS管为PMOS管MP2，所述PMOS管MP1的源端及衬底分别与电源电压VDD相连，所述PMOS管MP1的漏端与所述PMOS管MP2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端OUT，所述PMOS管MP2的栅端与漏端相连。

优选地，所述待测MOS管为NMOS管MN1时，所述标准MOS管为NMOS管MN2，所述NMOS管MN1的源端及衬底分别接地，所述NMOS管MN1的漏端与所述NMOS管MN2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端OUT，所述NMOS管MN2的漏端与栅端相连。

本发明还公开了一种基于所述的测量电路的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

S1：向所述待测MOS管和标准MOS管的栅端分别提供第一预设电压Vb1和第二预设电压Vb2，以使得所述待测MOS管和标准MOS管均工作在饱和区；

S2：计算所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差；

S3：将所述待测MOS管换为当前组待测MOS器件中的其他MOS管，并重复执行步骤S1～S2，直至所述当前组待测MOS器件中的所有MOS管均被选中过，以获得MOS器件阈值电压的波动性。

优选地，所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差通过以下公式计算，

V_th2-V_th1＝V_GS2-V_GS1

其中，V_GS2＝Vb2-V_OUT，V_GS1＝Vb1-VDD，V_th1为所述待测MOS管的阈值电压为，V_th2为所述标准MOS管的阈值电压，V_GS1为所述待测MOS管的栅源电压，V_GS2为所述待测MOS管的栅源电压，V_OUT为输出端OUT的电压，VDD为电源电压，Vb1为第一预设电压，Vb2为第二预设电压。

(三)有益效果

本发明通过串联连接的待测MOS管和标准MOS管来测量待测MOS管的阈值电压的波动性，降低了测试器件结构的复杂度，并减少了测量所耗费的时间。

附图说明

图1是按照本发明一种实施例的MOS器件阈值电压波动性的测量电路的结构示意图；

图2是按照本发明另一种实施例的MOS器件阈值电压波动性的测量电路的结构示意图；

图3是具有1000个MOS管的MOS器件的实际阈值电压分布图；

图4是通过图1所示的测量电路进行测量时，获得的V_OUT的电压分布图；

图5是实际及测量的分布密度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的测量电路包括：类型相同的待测MOS管和标准MOS管(此处的类型相同指：当待测MOS管为PMOS管时，标准MOS管也为PMOS管；当待测MOS管为NMOS管时，标准MOS管也为NMOS管)，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接。

图1是按照本发明一种实施例的MOS器件阈值电压波动性的测量电路的结构示意图；参照图1，所述待测MOS管为PMOS管MP1时，所述标准MOS管为PMOS管MP2，所述PMOS管MP1的源端及衬底分别与电源电压VDD相连，所述PMOS管MP1的漏端与所述PMOS管MP2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端OUT，所述PMOS管MP2的栅端与漏端相连。

图2是按照本发明另一种实施例的MOS器件阈值电压波动性的测量电路的结构示意图；参照图2，所述待测MOS管为NMOS管MN1时，所述标准MOS管为NMOS管MN2，所述NMOS管MN1的源端及衬底分别接地，所述NMOS管MN1的漏端与所述NMOS管MN2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端OUT，所述NMOS管MN2的漏端与栅端相连。

本发明还公开了一种基于所述的测量电路的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

S1：向所述待测MOS管和标准MOS管的栅端分别提供第一预设电压Vb1和第二预设电压Vb2，以使得所述待测MOS管和标准MOS管均工作在饱和区；

S2：计算所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差；

S3：将所述待测MOS管换为当前组待测MOS器件(即MOS管)中的其他MOS管，并重复执行步骤S1～S2，直至所述当前组待测MOS器件中的所有MOS管均被选中过，以获得MOS器件阈值电压的波动性。

当所述待测MOS管和标准MOS管均为PMOS管时，通过在MP1和MP2的栅端施加直流电压，保证两管工作在饱和态，利用MOS晶体管串联电流相等，以及PMOS管饱和电流公式为：

$I_p=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W_p}{L_p}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{th}})}^2$

式中，μ_p是空穴的迁移率，W_p和L_p是PMOS管的宽度和长度，V_GS是MOS管的栅源电压，V_th是MOS管的阈值电压，C_ox是单位面积的栅氧化层电容。

当所述待测MOS管和标准MOS管均为NMOS管时，NMOS管饱和电流公式为：

$I_n=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}\frac{W_n}{L_n}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{th}})}^2$

式中，μ_n是空穴的迁移率，W_n和L_n是NMOS管的宽度和长度。

因两管串联，必有I_p1＝I_p2或I_n1＝I_n2，其中，I_p1为MP1的电流，I_p2为MP2的电流，I_n1为MN1的电流，I_n2为MN2的电流，考虑到两管的尺寸相同，由PMOS管和NMOS管的饱和电流公式推得：

V_GS1-V_th1＝V_GS2-V_th2

根据上述推理可知，所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差通过以下公式计算，

V_th2-V_th1＝V_GS2-V_GS1

其中，V_GS2＝Vb2-V_OUT，V_GS1＝Vb1-VDD，V_th1为所述待测MOS管的阈值电压为，V_th2为所述标准MOS管的阈值电压，V_GS1为所述待测MOS管的栅源电压，V_GS2为所述待测MOS管的栅源电压，V_OUT为输出端OUT的电压，VDD为电源电压，Vb1为第一预设电压，Vb2为第二预设电压。所述待测管和标准管的阈值电压差则直接体现在VOUT的变化上。

实施例1

本实施例中以待测MOS管和标准MOS管均为65nm工艺下的PMOS管串联来说明。如图1中所示，在MP1管的栅端施加Vb1的直流电压，在MP2管的栅端及漏端施加Vb2的直流电压。要使电路能够实现测试MP1管与MP2管阈值差异的正常功能，必须保证两管均工作在饱和区。考虑到65nm工艺下的PMOS管的通常阈值在0.4V左右，且电源电压VDD＝1.2V，因此V_b1＝700mV，V_b2＝200mV。

因MP2管的栅端与漏端相连，必定工作在饱和状态，MP1管的V_GS1＝0.7-1.2＝-0.5V，保证管子导通。因两管串联，必有I_p1＝I_p2，考虑到两管的尺寸相同，由饱和电流公式推得：V_GS1-V_th1＝V_GS2-V_th2。

考虑到同一批生产的MOS管的阈值只有小的波动，因此在此测试中两管的阈值电压差别不大(小于10mV)，所以V_GS2＝V_b2-V_OUT与V_GS1差别不大，接近-0.5V，V_OUT的电压可以保证MP1管也工作在饱和区，整个测试电路可以正常工作，其中，V_OUT为图1或2中的OUT端的输出值。

下面以该电路为例给出仿真结果及分析。

利用HSPICE的65nm工艺库对本实施例的电路进行仿真，分别测试了沟道长度为80nm，100nm的PMOS管，其中宽长比均为W/L＝4/1。ΔV_th是MP1相对于MP2的阈值差。

表1  L＝80nm，W/L＝4/1的测试电路仿真结果

ΔVth(mV)	VOUT(mV)	ΔVOUT(mV)	％
				10	709.761	9.761	97.61
5	704.874	4.874	97.48
				0	700	0

-5	695.139	-4.861	97.22
				-10	690.290	-9.710	97.10

表2  L＝100nm，W/L＝4/1的测试电路仿真结果

ΔVth(mV)	VOUT(mV)	ΔVOUT(mV)	％
				10	710.367	10.367	103.67
5	705.175	5.175	103.50
				0	700	0
-5	694.841	-5.159	103.18
				-10	689.697	-10.303	103.03

根据上述表1和表2的仿真结果显示，V_OUT的变化量ΔV_OUT基本反映出MP1与MP2管的阈值电压差值，且误差在3.7％以内。实际测试中，将被测的一组PMOS器件依次代替MP1管，可以通过V_OUT的变化量直接读出待测MOS管与标准MOS管的阈值差，进一步可得到待测PMOS器件阈值电压波动性的分布。

对于1000个PMOS器件，模拟其阈值电压呈正态分布的情况，其中均值μ为标准管MP2的阈值电压，标准差σ设为2mV，利用本实施例的测试方法得到的V_OUT变化量的分布，如图3～5所示。可以看到本发明的直接测试方法得到的V_OUT分布与MOS器件阈值电压的实际分布非常接近，且分布密度曲线基本相同，因此本实施例的测量结果可直接反映PMOS器件的波动性，无需进行额外的数据处理，从而提高了测试的效率和精度。对于NMOS器件可采用图2的测试电路。

本实施例的测量电路的结构只包含两个PMOS管串联，电路简单。被测管MP1与标准管MP2的阈值电压差异会在输出OUT端直接体现出来，电压变化的测量十分方便。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种MOS器件阈值电压波动性的测量电路，其特征在于，所述测量电路包括：类型相同的待测MOS管和标准MOS管，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接。

2.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，所述待测MOS管为PMOS管MP1时，所述标准MOS管为PMOS管MP2，所述PMOS管MP1的源端及衬底分别与电源电压VDD相连，所述PMOS管MP1的漏端与所述PMOS管MP2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端OUT，所述PMOS管MP2的栅端与漏端相连。

3.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，所述待测MOS管为NMOS管MN1时，所述标准MOS管为NMOS管MN2，所述NMOS管MN1的源端及衬底分别接地，所述NMOS管MN1的漏端与所述NMOS管MN2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端OUT，所述NMOS管MN2的漏端与栅端相连。

4.一种基于权利要求1～3中任一项所述的测量电路的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

S1：向所述待测MOS管和标准MOS管的栅端分别提供第一预设电压Vb1和第二预设电压Vb2，以使得所述待测MOS管和标准MOS管均工作在饱和区；

S2：计算所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差；

S3：将所述待测MOS管换为当前组待测MOS器件中的其他MOS管，并重复执行步骤S1～S2，直至所述当前组待测MOS器件中的所有MOS管均被选中过，以获得MOS器件阈值电压的波动性。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差通过以下公式计算，

V_th2-V_th1＝V_GS2-V_GS1

其中，V_GS2＝Vb2-V_OUT，V_GS1＝Vb1-VDD，V_th1为所述待测MOS管的阈值电压为，V_th2为所述标准MOS管的阈值电压，V_GS1为所述待测MOS管的栅源电压，V_GS2为所述待测MOS管的栅源电压，V_OUT为输出端OUT的电压，VDD为电源电压，Vb1为第一预设电压，Vb2为第二预设电压。

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