CN105391436A - 一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法，它包括所需集成电路工作电源、逻辑开关控制电路、所需集成电路和MOSFET器件，其特征在于：所述所需集成电路的工作电源与MOSFET的漏极D相连、逻辑开关控制电路与MOSFET的栅极G相连、所需集成电路与MOSFET器件源极S连接，所需集成电路另一端接地VSS。可以将不常用的且运作时间短，工作电压高于工艺要求的所需集成电路集成到普通芯片电路上，提高集成度。不需要将不常用且工作电压高于工艺要求的所需集成电路单独制成芯片器件，达到节约成本的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种解决高工作电压情况下热载流子损坏导致芯片工作寿命降低的方法，尤其适用于针对所需电路工作电压大于系统芯片场合应用，属于半导体芯片集成电路领域。
背景技术
现有芯片技术中，工作电压超过工艺要求一定范围的所需集成电路（例如红外切换电路）由于热载流子效应很难集成到一个芯片工艺中，目前现有解决热载流子效应方案大大增加了设计成本，同时限制了设计的灵活性。红外切换电路的工作电压往往超过5V，而目前CPU的设计工艺90nm，甚至更低，该工艺要求的电压普遍较低（不高于3.3V），由于热载流子效应，该红外切换电路几乎不可能集成到CPU芯片中。
不能集成到CPU芯片中的原因在于芯片中MOSFET器件沟道电场与电流密度激增或者器件尺寸很小情况下，载流子在沟道强电场的作用下，沿着电场方向不断漂移加速，即可获得很大的动能，从而可成为热载流子。这些热载流子通过声子发射的形式把能量传递给晶格，能量达到甚至超过Si-SiO2势能(3.2eV)便会注入到SiO2中而被俘获，当能量等于或大于4.2eV时就会造成在Si-SiO2界面处能键的断裂产生界面陷阱，键的断裂和被俘获的载流子会产生大量的氧化层陷阱电荷和界面态进而造成电荷积蓄，从而引起阈值电压漂移、跨导降低和亚阈值斜率增大，甚至栅氧化层击穿。除此之外，这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。
现有芯片设计中在工作电压确定时，目前减小热载流子注入效应的方案如下：
1.减小MOSFET器件漏端附近的电场，因此减少了热载流子发射的可能性。
2.改善栅氧化层质量，采用完美的干法氧化工艺，降低热载流子陷阱密度和俘获截面，以减小在栅氧层中的载流子注入对器件性能的影响。
3.在电路和版画设计上采取适当措施，如采用钳位器件或适当增大宽长比等。
4.采用一些新结构。如低掺杂漏(LDD，LightlyDopedDrain)结构等。LDD结构可以提高击穿电压，减少碰撞电离。因此，也减少了热电子发射。在沟道中靠近漏极的附近设置一个低掺杂的漏区，让该低掺杂的漏区也承受部分电压，这种结构可防止热电子退化效应。
以上方法要么在工艺制造成本上有所增加，要么就是降低工作电压。因此需要设计一种方法在所需集成电路（例如红外切换电路）工作电压高于工艺要求电压时，既不增加成本，又不用降低工作电压来延长电路器件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是要克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种解决高工作电压情况下热载流子损坏导致工作寿命降低的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法，它包括所需集成电路工作电源、逻辑开关控制电路、所需集成电路和MOSFET器件，其特征在于：所述所需集成电路的工作电源与MOSFET的漏极D相连、逻辑开关控制电路与MOSFET的栅极G相连、所需集成电路与MOSFET器件源极S连接，所需集成电路另一端接地VSS。
所述的所需集成电路工作电压高于系统芯片的工作电压，所需集成电路每一次持续工作时间非常短，所述逻辑开关控制电路、所需集成电路集成于系统芯片内部。系统芯片采用3.3V90nm及以下的工艺尺寸，该工艺要求的电压普遍较低（不高于3.3V），但是所需集成电路(如红外切换电路)的工作电压为5V。
所述逻辑开关控制电路通过MOSFET器件可以控制所需集成电路(如红外切换电路)工作电源输入通道闭合或断开，当需要所需集成电路(如红外切换电路)进行工作时，通过逻辑开关控制电路向MOSFET器件栅极加压，使MOSFET器件导通，从而让工作电压输入到所需集成电路中。当不需要所需集成电路(如红外切换电路)工作时，则由逻辑控制电路控制MOSFET器件关闭，停止向所需集成电路(如红外切换电路)供电。所需集成电路(如红外切换电路)的供电只是瞬间导通，所以其电路运作的时间极短。假如所需集成电路(如红外切换电路)的每一天的运作时间为5s，则可以通过7天的寿命时间理论上可以推算出电路中器件工作寿命可以延长到300多年，远远满足芯片正常使用的寿命时间。
所述的系统芯片设计上还需采用欠压闭锁(UVLO)保护电路和静电(ESD)保护电路对所需要集成的电路进行保护设计。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1.可以将不常用的且运作时间短，工作电压高于工艺要求的所需集成电路集成到普通芯片电路上，提高集成度。
2.不需要将不常用且工作电压高于工艺要求的所需集成电路单独制成芯片器件，达到节约成本的效果。
3.通过普通芯片中逻辑开关控制电路控制MOSFET器件来对所需集成的电路进行供电控制，只在需要时将MOSFET器件导通，不需要时MOSFET器件关断，从而实现降低热载流子对芯片持续损坏，提高芯片的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图与具体实施例对本发明作详细的说明，但不应理解为是对本申请的限制。
本发明所述系统芯片往往采用3.3V90nm及以下的工艺尺寸，该工艺要求的电压普遍较低（不高于3.3V），但是所需集成电路(如红外切换电路)的工作电压为5V，导致芯片损坏，所以需要提供一种解决方法。
如图1所示，一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法，它包括所需集成电路工作电源、逻辑开关控制电路、所需集成电路和MOSFET器件，所述所需集成电路工作电源输入与MOSFET的漏极D相连、逻辑开关控制电路与MOSFET的栅极G相连、所需集成电路与MOSFET器件源极S连接，所需集成电路另一端接地VSS。本发明所述逻辑开关控制电路、所需集成电路集成于系统芯片内部。所述的所需集成电路工作电压高于系统芯片的工作电压，而且所需集成电路持续每一次工作时间极短。
所述逻辑开关控制电路通过MOSFET器件可以控制所需集成电路(如红外切换电路)工作电源输入通道闭合或断开，当需要所需集成电路(如红外切换电路)进行工作时，通过逻辑开关控制电路向MOSFET器件栅极加压，使MOSFET器件导通，从而让工作电压输入到所需集成电路中。当不需要所需集成电路(如红外切换电路)工作时，则由逻辑控制电路控制MOSFET器件关闭，停止向所需集成电路(如红外切换电路)供电。所需集成电路(如红外切换电路)的供电只是瞬间导通，所以其电路运作的时间极短。假如所需集成电路(如红外切换电路)的每一天的运作时间为5s，则可以通过7天的寿命时间理论上可以推算出电路中器件工作寿命可以延长到300多年，远远满足芯片正常使用的寿命时间。
Claims (4)
1.一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法，它包括所需集成电路的工作电源、逻辑开关控制电路、所需集成电路和MOSFET器件，其特征在于：所述所需集成电路工作电源与MOSFET的漏极D相连、逻辑开关控制电路与MOSFET的栅极G相连、所需集成电路与MOSFET器件源极S连接，所需集成电路另一端接地VSS。
2.根据权利要求1所述的一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法，其特征在于：所述逻辑开关控制电路、所需集成电路集成于系统芯片内部。
3.根据权利要求1所述的一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法，其特征在于：所述的所需集成电路工作电压高于系统芯片的工作电压，所需集成电路每一次持续工作时间极短。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种延长热载流子效应下芯片工作寿命的方法，其特征在于：所述逻辑开关控制电路通过MOSFET器件控制所需集成电路工作电源输入通道闭合或断开，当需要所需集成电路进行工作时，通过逻辑开关控制电路向MOSFET器件栅极G加压，使MOSFET器件导通，从而让工作电压输入到所需集成电路中；当不需要所需集成电路工作时，则由逻辑开关控制电路控制MOSFET器件关闭，停止向所需集成电路供电。
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