CN103792475A - 负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种负偏压温度不稳定性检测电路，该电路包括：环形回荡器电路，每一测试电路的第一节点通过一分压元件与其前一测试电路的第二节点相连，每一测试电路包括互补的待测PMOS管和NMOS管，所述待测PMOS管的源极接第一电压端、栅极接所述第一节点、漏极接所述第二节点，所述NMOS管的源极接低电平、栅极接第一节点、漏极接所述第二节点，所述每一测试电路的第二节点接第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接第三电压端。本发明还揭示了一种检测方法，包括通过控制所述第二电压端和所述第三电压端使得所述待测PMOS管处于压力状态和测试状态。本发明的负偏压温度不稳定性检测电路，能准确测试PMOS管的负偏压温度不稳定性。

Description

负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及集成电路可靠性测试领域，特别是涉及一种负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法。

背景技术

偏压温度不稳定性（Bias Temperature Instability，简称BTI）是互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS）可靠性的基本问题之一。其中，BTI分为负偏压温度不稳定性（Negative Bias TemperatureInstability，简称NBTI）和正偏压温度不稳定性（Positive Bias TemperatureInstability，简称PBTI）。NBTI是指在高温下对PMOS管施加负栅压而引起的一系列电学参数的退化，NBTI效应的产生过程主要涉及正电荷的产生和钝化，即界面陷阱电荷和氧化层固定正电荷的产生以及扩散物质的扩散过程，氢气和水汽是引起NBTI的两种主要物质。对于硅材料的栅介质构成的纳米尺度的CMOS，PMOS管的NBTI是影响器件寿命的主要原因，所以如何准确地测量PMOS管的NBTI对器件的可靠性由重要的影响。

图1为现有技术中的负偏压温度不稳定性检测电路的示意图，该负偏压温度不稳定性检测电路基于环形振荡器电路，通过测试PMOS管在施加应力电压前后的环形回荡器电路振荡频率的变换，测试PMOS管的负偏压温度不稳定性，但该负偏压温度不稳定性检测电路无法区分PMOS管的负偏压温度不稳定性和NMOS管的正偏压温度不稳定性对电路振荡频率影响的程度，所以无法准确地测量PMOS管的负偏压温度不稳定性。

因此，如何提供一种能够测试PMOS管的负偏压温度不稳定性的检测电路和检测方法，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够准确测试PMOS管的负偏压温度不稳定性的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种负偏压温度不稳定性检测电路，包括：

环形回荡器电路，所述环形振荡器电路包括n级测试电路，每级测试电路的结构相同，每一测试电路包括第一节点和第二节点，每一测试电路的第一节点通过一分压元件与其前一测试电路的第二节点相连，n为正整数；其中

每一测试电路包括互补的待测PMOS管和NMOS管，且所述待测PMOS管的源极接一第一电压端、栅极接所述测试电路的第一节点、漏极接所述测试电路的第二节点，所述NMOS管的源极接低电平、栅极接所述测试电路的第一节点、漏极接所述测试电路的第二节点，所述每一测试电路的第二节点接一第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接一第三电压端。

进一步的，所述分压元件为电阻或稳压二极管。

进一步的，所述分压元件为电阻，所述电阻的阻值为10欧~10000欧。

进一步的，所述n≥3。

进一步的，所述的负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法，包括：

待测PMOS管处于压力状态，所述第一电压端和第二电压端接应力电压，第三电压端接低电平，以对所述待测PMOS管施加负栅压；

待测PMOS管处于测试状态，所述第一电压端接应力电压，，所述第二电压端和第三电压端不加负载，以检测由所述待测PMOS管的负偏压温度不稳定性而引起的信号变化。

进一步的，所述应力电压为直流电压。

进一步的，所述负偏压温度不稳定性通过所述环形回荡器电路振荡频率的变化来表征。

进一步的，所述的负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法，包括：

在所述待测PMOS管处于压力状态的步骤前，测试所述环形回荡器电路的参考振荡频率；

在所述待测PMOS管处于测试状态的步骤时，测量所述环形回荡器电路的测试振荡频率；

计算所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性。

进一步的，

k_P为常数。

与现有技术相比，本发明提供的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法具有以下优点：

1、本发明提供的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路的每一测试电路的第二节点与其下一测试电路的第一节点之间接入一分压元件，所述每一测试电路的第二节点接所述第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接所述第三电压端，与现有技术相比，本发明通过分别控制所述第二电压端和所述第三电压端的电压，使所述第二电压端和所述第三电压端在所述压力状态只对所述待测PMOS管施加压力，从而可以准确地测量待测PMOS管的负偏压温度不稳定性，避免所述NMOS管的正偏压温度不稳定性的影响。

2、本发明提供的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路中的所述待测PMOS管处于压力状态时，所述第一电压端和第二电压端接应力电压，，所述应力电压为直流电压，使所述待测PMOS管一直处于压力状态，可以测试所述待测PMOS管的最差工作寿命，从而提高负偏压温度不稳定性检测的可靠性。

3、本发明提供的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路通过所述环形回荡器电路振荡频率的变化来表征，通过所述环形回荡器电路振荡频率与所述待测PMOS管的负偏压温度不稳定性具有线性关系，能准确的反映所述待测PMOS管的负偏压温度不稳定性。

附图说明

图1为现有技术中的负偏压温度不稳定性检测电路的示意图；

图2为本发明一实施例中负偏压温度不稳定性检测电路的示意图；

图3为本发明一实施例中负偏压温度不稳定性检测电路检测方法的流程图；

图4a-图4b为本发明一实施例中负偏压温度不稳定性检测电路检测过程的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路包括环形回荡器电路，所述环形振荡器电路包括n级测试电路，每一测试电路包括一对互补的待测PMOS管和NMOS管，以及第一节点和第二节点，每一测试电路的第二节点与其下一测试电路的第一节点之间接入一分压元件，所述每一测试电路的第二节点接第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接第三电压端，通过控制所述第二电压端和第三电压端的电压，使待测PMOS管处于压力状态或测试状态。

结合上述核心思想，本发明提供一种负偏压温度不稳定性检测电路，包括：

环形回荡器电路，所述环形振荡器电路包括n级测试电路，每级测试电路的结构相同，每一测试电路包括第一节点和第二节点，每一测试电路的第一节点通过一分压元件与其前一测试电路的第二节点相连，n为正整数；其中

每一测试电路包括互补的待测PMOS管和NMOS管，且所述待测PMOS管的源极接第一电压端、栅极接所述第一节点、漏极接所述第二节点，所述NMOS管的源极接低电平、栅极接第一节点、漏极接所述第二节点，所述每一测试电路的第二节点接第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接第三电压端。

进一步，结合上述负偏压温度不稳定性检测电路，本发明还提供了一种检测方法，包括以下步骤：

步骤S11，待测PMOS管处于压力状态，所述第一电压端和第二电压端接应力电压，，第三电压端接低电平；

步骤S12，待测PMOS管处于测试状态，所述第一电压端接应力电压，，所述第二电压端和第三电压端不加负载。

以下请参考图2，其为发明一实施例的负偏压温度不稳定性检测电路的示意图。

如图2所示，在本实施例中，所述负偏压温度不稳定性检测电路以环形回荡器电路为基础，所述环形振荡器电路包括n级测试电路，每级测试电路的结构相同，其中n为正整数，在图2中，S1为第1级测试电路，S2为第2级测试电路，S3为第3级测试电路。该环形振荡器电路较佳的还包括必要的器件，如反相器，在图2中不具体示出。较佳的，n≥3，如n为5、10、15、20等，当n越大时，该环形振荡器电路中的待测PMOS管就越多，通过测量更多的待测PMOS管的负偏压温度不稳定性，能够得到更可靠的待测PMOS管的负偏压温度不稳定性的平均值，减小了不同的待测PMOS管之间的差异。

以第2级测试电路S2为例，具体说明每级测试电路的结构。如图2所示，第2级测试电路S2包括一对互补的待测PMOS管P2和NMOS管N2，还包括第一节点a2和第二节点b2，第2级测试电路S2的第一节点a2通过第1分压元件L1与第1级测试电路S1的第三节点c1相连。第1分压元件L1可以分担电路中的电压，使第1级测试电路S1的第二节点b1和第2级测试电路S2的第一节点a2之间存在电压差，避免第二电压端V2与第三电压端V3之间的短路，并使在对第二电压端V2与第三电压端V3施加应力电压时，第2级测试电路S2的第一节点a2和第2级测试电路S2的第二节点b2之间存在电压差，从而实现对所述待测PMOS管P2处于负偏压温度不稳定性的压力状态。第1级测试电路S1的第一节点a1通过第n分压元件Ln与第n级测试电路的第二节点bn相连，使该n级测试电路形成环形连接。

在本实施例中，所述第1分压元件L1为电阻，电阻的连接方式简单且经济实用，优选的，电阻的阻值为10欧~10000欧，如100欧、500欧、1000欧、5000欧。其中，所述第1分压元件L1并不限于电阻，其它分压器件如稳压二极管，只要不影响所述环形振荡器电路振荡频率的分压器件，亦在本发明的思想范围之内。

在第2级测试电路S2中，待测PMOS管P2的源极接第一电压端V1，NMOS管N2的源极接低电平，待测PMOS管P2的栅极和NMOS管N2的栅极通过第一节点a2连接在一起，待测PMOS管P2的漏极和NMOS管N2的漏极通过第二节点b2连接在一起。第2级测试电路S2的第二节点b2接第二电压端V2，第2级测试电路S2的第一节点a2接第三电压端V3。

以下结合图3和图4a-图4b具体说明本实施例中负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法。图3为本发明一实施例中负偏压温度不稳定性检测电路检测方法的流程图，图4a-图4b为本发明一实施例中负偏压温度不稳定性检测电路检测过程的示意图。

在本实施例中，所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性是通过所述环形回荡器电路振荡频率的变化来表征，所以，在进行步骤S11前，采用常规的方法测试所述环形回荡器电路的参考振荡频率f_R，在本实施例中，第二电压端V2和第三电压端V3不加负载，直接对所述环形回荡器电路施加脉冲信号，测试得到所述环形回荡器电路的参考振荡频率f_R。

然后，进行步骤S11，待测PMOS管P2处于压力状态，以对待测PMOS管P2施加负栅压，其中，第一电压端V1和第二电压端V2接应力电压，Vdd_stress，第三电压端V3接低电平，则待测PMOS管P2的源极和漏极接应力电压，Vdd_stress，待测PMOS管P2的栅极为低电平，NMOS管N2的漏极接应力电压，Vdd_stress，NMOS管N2的栅极和源极为低电平，此时，第2级测试电路中只有待测PMOS管P2处于负偏压温度不稳定性的压力状态，NMOS管N2不处于正偏压温度不稳定性的压力状态，如图4a所示，电流从第二电压端V2经第2分压元件L2流到第三电压端V3。

在本实施例中，所述应力电压Vdd_stress较佳的为直流电压，使所述待测PMOS管P2一直处于压力状态，可以测试所述待测PMOS管P2的最差工作寿命，从而提高所述待测PMOS管P2负偏压温度不稳定性检测的可靠性。

接着，进行步骤S12，待测PMOS管P2处于测试状态，以检测由待测PMOS管P2的负偏压温度不稳定性而引起的信号变化，所述第一电压端V1接应力电压，Vdd_stress，所述第二电压端V2和第三电压端V3不加负载，如图4b所示，电流从第一电压端V1经所述待测PMOS管P2流到第三电压端V3。

在进行步骤S12时，采用常规的方法测量所述环形回荡器电路的测试振荡频率，直接对所述环形回荡器电路施加脉冲信号，此脉冲信号与上述测试所述环形回荡器电路的参考振荡频率f_R时的脉冲信号相同，测试得到所述环形回荡器电路的测试振荡频率f_M，由于在步骤S11中待测PMOS管P2的负偏压温度不稳定性的影响，所以参考振荡频率f_R与测试振荡频率f_M存在一频率差△f，而由于在步骤S11中不存在NMOS管N2的正偏压温度不稳定性的影响，所以频率差△f与所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性具有线性关系，△f＝k_P×所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性，则

k_P为常数。

在本实施例中，所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性是通过所述环形回荡器电路振荡频率的变化来表征，但所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性还可以通过所述环形回荡器电路中待测PMOS管的电流变化来表征，通过所述环形回荡器电路中待测PMOS管的电流变化来表征所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性为本领域的惯用手段，在此不做赘述。

综上所述，本发明提供一种负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路包括环形回荡器电路，包括环形回荡器电路，所述环形振荡器电路包括n级测试电路，每一测试电路包括一对互补的待测PMOS管和NMOS管，以及第一节点和第二节点，每一测试电路的第二节点与其下一测试电路的第一节点之间接入一分压元件，所述每一测试电路的第二节点接第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接第三电压端，通过控制所述第二电压端和第三电压端的电压，使待测PMOS管处于压力状态或测试状态。与现有技术相比，本发明提供的含有负偏压温度不稳定性检测电路具有以下优点：

1、本发明提供的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路的每一测试电路的第二节点与其下一测试电路的第一节点之间接入一分压元件，所述每一测试电路的第二节点接所述第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接所述第三电压端，与现有技术相比，本发明通过分别控制所述第二电压端和所述第三电压端的电压，使所述第二电压端和所述第三电压端在所述压力状态只对所述待测PMOS管施加压力，从而可以准确地测量待测PMOS管的负偏压温度不稳定性，避免所述NMOS管的正偏压温度不稳定性的影响。

2、本发明提供的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路中的所述待测PMOS管处于压力状态时，所述第一电压端和第二电压端接应力电压，，所述应力电压为直流电压，使所述待测PMOS管一直处于压力状态，可以测试所述待测PMOS管的最差工作寿命，从而提高负偏压温度不稳定性检测的可靠性。

3、本发明提供的负偏压温度不稳定性检测电路及其检测方法，该负偏压温度不稳定性检测电路通过所述环形回荡器电路振荡频率的变化来表征，通过所述环形回荡器电路振荡频率与所述待测PMOS管的负偏压温度不稳定性具有线性关系，能准确的反映所述待测PMOS管的负偏压温度不稳定性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种负偏压温度不稳定性检测电路，包括：

环形回荡器电路，所述环形振荡器电路包括n级测试电路，每级测试电路的结构相同，每一测试电路包括第一节点和第二节点，每一测试电路的第一节点通过一分压元件与其前一测试电路的第二节点相连，n为正整数；其中

每一测试电路包括互补的待测PMOS管和NMOS管，且所述待测PMOS管的源极接一第一电压端、栅极接所述测试电路的第一节点、漏极接所述测试电路的第二节点，所述NMOS管的源极接低电平、栅极接所述测试电路的第一节点、漏极接所述测试电路的第二节点，所述每一测试电路的第二节点接一第二电压端，所述每一测试电路的第一节点接一第三电压端。

2.如权利要求1所述的负偏压温度不稳定性检测电路，其特征在于，所述分压元件为电阻或稳压二极管。

3.如权利要求2所述的负偏压温度不稳定性检测电路，其特征在于，所述分压元件为电阻，所述电阻的阻值为10欧~10000欧。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的负偏压温度不稳定性检测电路，其特征在于，所述n≥3。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法，包括：

待测PMOS管处于压力状态，所述第一电压端和第二电压端接应力电压，第三电压端接低电平，以对所述待测PMOS管施加负栅压；

待测PMOS管处于测试状态，所述第一电压端接应力电压，，所述第二电压端和第三电压端不加负载，以检测由所述待测PMOS管的负偏压温度不稳定性而引起的信号变化。

6.如权利要求5所述的负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法，其特征在于，所述应力电压为直流电压。

7.如权利要求5或6所述的负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法，其特征在于，所述负偏压温度不稳定性通过所述环形回荡器电路振荡频率的变化来表征。

8.如权利要求7所述的负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法，包括：

在所述待测PMOS管处于压力状态的步骤前，测试所述环形回荡器电路的参考振荡频率；

在所述待测PMOS管处于测试状态的步骤时，测量所述环形回荡器电路的测试振荡频率；

计算所述待测PMOS的负偏压温度不稳定性。

9.如权利要求8所述的负偏压温度不稳定性检测电路的检测方法，其特征在于，

k_P为常数。

Images