CN103675398A

CN103675398A - 一种nmos阈值电压测量方法

Info

Publication number: CN103675398A
Application number: CN201210339342.7A
Authority: CN
Inventors: 甘正浩
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN103675398B

Abstract

本申请公开了一种NMOS阈值电压测量方法，该方法应用于线上测量，由包括待测NMOS在内的六个NMOS相互连接组成镜像电路，通过控制相关NMOS的沟道长度和沟道宽度的比值，实现电路中某点的输出电压与待测NMOS阈值电压相等，从而将NMOS的阈值电压提取，实现待测NMOS阈值电压的线上测量。

Description

一种NMOS阈值电压测量方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种NMOS阈值电压测量方法。

背景技术

众所周知，金属氧化物半导体场效应管（MOS）的主要结构包括在半导体材料的衬底，衬底表面依次生长的栅极电介质层和栅极，以及分别在所述栅极两侧的衬底中形成的源极和漏极，MOS的一个重要参数是阈值电压，该参数的定义为MOS的栅极电介质层下方的衬底表面产生的反型层在源极和漏极之间形成导电沟道（简称沟道）时所需的栅极电压，其也是区分MOS导通和截止状态的电压分界点。

现有技术中对MOS的阈值电压测量多采用线下（off-line）测量的方法，也就是分别将MOS的源极和衬底接地，将MOS的漏极引出，同时在MOSFET的栅极上施加不断增大的电压V，直到产生饱和电流I时测量对应的栅极电压，作为MOS的阈值电压V_th，如图1所示。但是方法局限于线下测量，无法在线上（on-chip）测量MOS的阈值电压。MOS管根据导电沟道中载流子的类型可分为电子型MOS（NMOS）和空穴型MOS（PMOS），现有技术中通过设计电路提取PMOS的阈值电压，实现了PMOS的线上测量阈值电压，但是如何线上测量NMOS的阈值电压，一直是个难点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种NMOS阈值电压测量方法，能够在线上灵活方便地测量NMOS的阈值电压。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种NMOS阈值电压测试方法，应用于线上测量，提供六个NMOS，待测的第一NMOS，第二NMOS，第三NMOS，第四NMOS，第五NMOS和第六NMOS，其中，所述待测的第一NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值的平方根与所述第三NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值的平方根之和等于所述第四NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值的平方根，所述第五NMOS和所述第六NMOS相同，上述六个NMOS组成电路如下：

将所述待测的第一NMOS的栅极和所述第二NMOS的栅极同时与所述第三NMOS的源极和衬底电连接，所述待测的第一NMOS和所述第二NMOS的源极和衬底同时接地，所述第二NMOS的漏极与所述第四NMOS的源极和衬底电连接，所述第五NMOS的源极和衬底与所述第三NMOS的栅极和漏极电连接，所述第六NMOS的源极和衬底与所述第四NMOS的栅极和漏极电连接，所述第五NMOS的栅极与所述第六NMOS的栅极电连接，第五NMOS的漏极和第六NMOS的漏极上施加工作电压Vdd；

测量所述第二NMOS的漏极与所述第四NMOS的源极和衬底之间的电压输出值，得到所述待测的第一NMOS的阈值电压。

所述待测的第一NMOS的沟道长度沟道长度的范围是0.2微米到1微米，所述待测的第一NMOS的沟道宽度的范围是0.2微米到1微米；

所述第三NMOS的沟道长度沟道长度的范围是0.2微米到1微米，所述待测的第三NMOS的沟道宽度的范围是0.2微米到1微米；

所述第四NMOS的沟道长度沟道长度的范围是0.2微米到1微米，所述待测的第四NMOS的沟道宽度的范围是0.2微米到1微米。

所述待测的第一NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值与所述第三NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值相等，且等于所述第四NMOS的沟道长度与沟道宽度比值的四分之一。

从上述方案可以看出，本发明提出一种NMOS阈值电压的测量方法，该方法应用于线上测量，由包括待测NMOS在内的六个NMOS相互连接组成镜像电路，通过控制相关NMOS的沟道长度和沟道宽度的比值，实现电路中某点的输出电压与待测NMOS阈值电压相等，从而将NMOS的阈值电压提取，实现待测NMOS阈值电压的线上测量。

附图说明

图1为现有技术中MOS结构图；

图2为本发明实施例NMOS阈值电压测量电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种NMOS阈值电压测试方法，该方法包括：首先，提供六个NMOS，具体地，上述六个NMOS分别为：待测的第一NMOS（MOS1），第二NMOS（MOS2），第三NMOS（MOS3），第四NMOS（MOS4），第五NMOS（MOS5）和第六NMOS（MOS6），其中，MOS1的沟道长度（导电沟道在从源极到漏极方向上的长度）和沟道宽度（垂直于沟道长度方向上的导电沟道宽度）比值的平方根与MOS3的沟道长度和宽度比值的平方根之和等于MOS4的沟道长度和宽度比值的平方根；然后将上述六个NMOS组成电路，用于测量待测的MOS1的阈值电压，具体电路连接方式如下：

将待测的MOS1的栅极和MOS2的栅极同时与MOS3的源极和衬底电连接，待测的MOS1和MOS2的源极和衬底同时接地，MOS2的漏极与MOS4的源极和衬底电连接，所述MOS5的源极和衬底与所述MOS3的栅极和漏极电连接，MOS6的源极和衬底与MOS4的栅极和漏极电连接，MOS5的栅极与MOS6的栅极电连接，MOS5的漏极和MOS6的漏极上施加工作电压Vdd，如图2所示的NMOS阈值电压测量电路图。

其中，MOS1、MOS3和MOS4是长沟道器件，优选的，上述三者的沟道长度和沟道宽度的范围都是0.2微米到1微米，例如，三者的沟道长度和沟道宽度相同，且为0.2微米，0.5微米或者1微米。

对上述NMOS阈值电压测量电路图分析可知：

首先，根据MOS管在饱和区的特性和长沟理论，可得MOS3的栅电压表达式（1）和MOS4的栅源电压表达式（2）：

V_{g 3} = V_{gs 1} + V_{gs 3} = {V_{th 1} + \sqrt{2 I / [μ_{n} C_{ox} (W_{1} / L_{1})]}} + {V_{th 3} + \sqrt{2 I / [μ_{n} C_{ox} (W_{3} / L_{3})]}} - - - (1)

V_{gs 4} = V_{th 4} + \sqrt{2 I / [μ_{n} C_{ox} (W_{4} / L_{4})]} - - - (2)

其中，V_g3为MOS3的栅电压（相对接地端的），V_gs1为MOS1的栅源电压，V_gs3为MOS3的栅源电压，V_gs4为MOS4的栅源电压，V_th1是MOS1的阈值电压，V_th3是MOS3的阈值电压，V_th4为MOS4的阈值电压，W₁是MOS1的沟道宽度，L₁是MOS1的沟道长度，W₃是MOS3的沟道宽度，L₃是MOS3的沟道长度，，W₄是MOS4的沟道宽度，L₄是MOS4的沟道长度，I是电路中的特征电流，C_ox单位面积电容；μ_n是载流子迁移率。

将表达式（1）减去表达式（2）得到表达式（3）：

V_{g 3} - V_{gs 4} = V_{th 1} + V_{th 3} - V_{th 4} + \sqrt{2 I / (μ_{n} C_{ox})} \cdot [\sqrt{L_{1} / W_{1}} + \sqrt{L_{3} / W_{3}} - \sqrt{L_{4} / W_{4}} - - - (3)

由表达式（3）可知，由于MOS3和MOS4的源极相连，两者的体效应被最小化，能够近似得到表达式（4）：

V_th3=V_th4 （4）

当MOS1的沟道长度和宽度比值的平方根与MOS3的沟道长度和宽度比值的平方根之和等于MOS4的沟道长度和宽度比值的平方根，也就是满足表达式（5）的条件下，

\sqrt{L_{1} / W_{1}} + \sqrt{L_{3} / W_{3}} - \sqrt{L_{4} / W_{4}} = 0 - - - (5)

优选的，MOS1、MOS3与MOS4之间的关系满足：

NMOS1的沟道长度与沟道宽度的比值与NMOS3的沟道长度与沟道宽度的比值相等L₁/W₁=L₃/W₃，且为NMOS4的沟道长度与沟道宽度的比值的四分之一由表达式（6）表示：

4L₁/W₁＝4L₃/W₃＝L₄/W₄ （6）

将表达式（4）和表达式（5）代入表达式（3）可得表达式（7）：

V_g3-V_gs4=V_th1 （7）

由于MOS5和MOS6器件参数大小一致，其栅极连接，故形成电流镜像对称。因此，流过MOS5和MOS6源漏的电流是等效的。于是，MOS5和MOS6的栅极-源极电压（Vgs）是等效的。这样一来，MOS3和MOS4栅极的电位是一样的（即Vg3=Vg4），于是得到MOS2的漏极与MOS4的源极和衬底之间的电压表达式（8）：

V_out=V_s4=V_g4-V_gs4=V_g3-V_gs4 （8）

将表达式（7）代入表达式（8）可得表达式（9）：

V_out=V_th1 （9）

上述表达式（9）表明MOS1的阈值电压与MOS2的漏极与MOS4的源极和衬底之间的电压输出值相等。因此由上述电路测量MOS2的漏极与MOS4的源极和衬底之间的电压输出值V_out，就能够得到待测的MOS1的阈值电压。

上述具体实施例一可见，本发明提出一种NMOS阈值电压的测量方法，该方法应用于线上测量，由包括待测NMOS在内的六个NMOS相互连接组成镜像电路，通过控制相关NMOS的沟道长度和沟道宽度的比值，实现电路中某点的输出电压与待测NMOS阈值电压相等，从而将NMOS的阈值电压提取，实现待测NMOS阈值电压的线上测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种NMOS阈值电压测试方法，应用于线上测量，该方法包括：提供待测的第一NMOS，第二NMOS，第三NMOS，第四NMOS，第五NMOS和第六NMOS，所述待测的第一NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值的平方根与所述第三NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值的平方根之和等于所述第四NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值的平方根，所述第五NMOS和所述第六NMOS相同；

将所述待测的第一NMOS的栅极和所述第二NMOS的栅极同时与所述第三NMOS的源极和衬底电连接，所述待测的第一NMOS和所述第二NMOS的源极和衬底同时接地，所述第二NMOS的漏极与所述第四NMOS的源极和衬底电连接，所述第五NMOS的源极和衬底与所述第三NMOS的栅极和漏极电连接，所述第六NMOS的源极和衬底与所述第四NMOS的栅极和漏极电连接，所述第五NMOS的栅极与所述第六NMOS的栅极电连接，第五NMOS的漏极和第六NMOS的漏极上施加工作电压；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测的第一NMOS的沟道长度沟道长度的范围是0.2微米到1微米，所述待测的第一NMOS的沟道宽度的范围是0.2微米到1微米；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测的第一NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值与所述第三NMOS的沟道长度与沟道宽度的比值相等，且等于所述第四NMOS的沟道长度与沟道宽度比值的四分之一。