CN105738789A - Mos管参数退化的失效预警电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MOS管参数退化的失效预警电路，包括MOS管应力施加电路、差分放大电路、放大输出电路和比较电路；MOS管应力施加电路与差分放大电路连接，差分放大电路与放大输出电路连接，放大输出电路与比较电路连接。MOS管应力施加电路对其中的MOS管施加应力，加速MOS管的参数退化，并输出对应的信号，经过差分放大电路进行差分放大，再经过放大输出电路进行放大输出，最后经过比较电路可获得MOS管参数退化预警信号，从而实时了解MOS管的参数退化情况，而且利用了差分放大电路，能消除应力施加电路的噪声和工艺偏差，同时对输出信号进行了放大，从而提高了对抗噪声的能力，增强了预警电路的灵敏性。

Description

MOS管参数退化的失效预警电路

技术领域

本发明涉及预警电路技术领域，特别是涉及MOS管参数退化的失效预警电路。

背景技术

随着超大规模集成电路制造技术向纳米方向发展，器件的尺寸特征尺寸越来越小，然而其正常工作电压并没有随之等比例降低，导致器件沟道内部的局部电场越来越大。沟道中的载流子在强电场中容易获得较大的能量从而形成热载流子。热载流子的能量较高，而且它们存在于器件沟道中，容易穿越界面势垒，注入到栅氧化层，被栅氧化层中的电荷陷阱俘获或者在Si-SiO₂界面产生界面态，从而引起器件有关参数发生变化，如阈值电压、跨导以及饱和区漏极电流等参数。当因栅氧化层积累电荷导致阈值电压和跨导退化超过一定限值时，将会导致器件的失效。热载流子注入效应(HotCarriersInjection，HCI)是影响器件性能参数的重要因素，是导致器件失效率较高的失效机理之一。

为了能够提前预测芯片由于HCI效应导致的MOS管参数退化问题，需要开展可靠性预测工作。传统的可靠性预测技术由于无法预测芯片所处环境和工作情况，已经不能适应现代超大规模集成(ULSI)电路系统的需要，急待探索新的可靠性预测技术手段。

发明内容

基于此，有必要针对由于HCI效应导致的MOS管参数退化的问题，提供一种MOS管参数退化的失效预警电路。

一种MOS管参数退化的失效预警电路，包括MOS管应力施加电路、差分放大电路、放大输出电路和比较电路；

MOS管应力施加电路与差分放大电路连接，差分放大电路与放大输出电路连接，放大输出电路与比较电路连接；

MOS管应力施加电路接收测试激励，对MOS管应力施加电路中的MOS管施加应力，MOS管应力施加电路输出对应的信号，对应的信号经过差分放大电路进行差分放大，经过放大输出电路进行放大平移，再经过比较电路与预设参考值进行比较，获得MOS管参数退化预警信号。

根据上述本发明的方案，MOS管参数退化的失效预警电路中通过MOS管应力施加电路对其中的MOS管施加应力，加速MOS管的参数退化，并输出对应的信号，经过差分放大电路进行差分放大，再经过放大输出电路进行放大平移，最后经过比较电路可获得MOS管参数退化预警信号，根据MOS管参数退化预警信号可实时了解MOS管的参数退化情况。在本方案中，利用了差分放大电路，消除了MOS管应力施加电路的噪声和工艺偏差，同时对输出信号进行了放大，从而提高了对抗噪声的能力，增强了预警电路的灵敏性。

附图说明

图1是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路的结构示意图；

图2是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路中MOS管应力施加电路的结构示意图；

图3是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路中差分放大电路的结构示意图；

图4是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路中放大输出电路的结构示意图；

图5是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路中比较电路的结构示意图；

图6是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路中的锁存输出电路的结构示意图；

图7是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路的结构示意图；

图8是其中一个实施例中MOS管参数退化的失效预警电路的具体结构示意图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

参见图1所示，为本发明的MOS管参数退化的失效预警电路的实施例。该实施例中的MOS管参数退化的失效预警电路，包括MOS管应力施加电路100、差分放大电路200、放大输出电路300和比较电路400；

MOS管应力施加电路100与差分放大电路200连接，差分放大电路200与放大输出电路300连接，放大输出电路300与比较电路400连接；

MOS管应力施加电路接收测试激励，对MOS管应力施加电路中的MOS管施加应力，MOS管应力施加电路输出对应的信号，对应的信号经过差分放大电路进行差分放大，经过放大输出电路进行放大平移，再经过比较电路与预设参考值进行比较，获得MOS管参数退化预警信号。

在本实施例中，MOS管参数退化的失效预警电路中通过MOS管应力施加电路对其中的MOS管施加应力，加速MOS管的参数退化，并输出对应的信号，经过差分放大电路进行差分放大，再经过放大输出电路进行放大平移，最后经过比较电路可获得MOS管参数退化预警信号，根据MOS管参数退化预警信号可实时了解MOS管的参数退化情况。利用差分放大电路消除了MOS管应力施加电路的噪声和工艺偏差，同时对输出信号进行了放大，从而提高了对抗噪声的能力，增强了预警电路的灵敏性。

在其中一个实施例中，如图2所示，MOS管应力施加电路100包括第一MOS管101、第二MOS管102、第三MOS管103、第四MOS管104、第一开关105、第二开关106、第三开关107、第四开关108、第五开关109、第六开关110、第七开关111和第八开关112；

第一MOS管101的源极和第二MOS管102的源极均连接第一电源VDD1，第一MOS管101的栅极和第二MOS管102的栅极均连接第一偏置电压VB1，第一MOS管的漏极通过第一开关105连接第三MOS管103的栅极，第二MOS管102的漏极通过第二开关106连接第四MOS管104的栅极；

第三MOS管103的栅极通过第三开关107连接第一测试激励Vg_stress，第三MOS管103的漏极通过第四开关108连接第二测试激励Vd_stress，第三MOS管103的栅极和漏极通过第五开关109连接，第三MOS管103的源极接地；

第四MOS管104的栅极通过第六开关110接地，第四MOS管104的漏极通过第七开关111接地，第四MOS管104的栅极和漏极通过第八开关112连接，第四MOS管104的源极接地；

第三MOS管103的栅极和第四MOS管104的栅极作为双端输出口与差分放大电路200的双端输入口连接。

在本实施例中，MOS管应力施加电路与其所在的主电路经历同样的工作环境，且经受更加严厉的应力退化，因此能够提前于主电路发生退化，便于针对MOS管的退化进行预警。

优选的，MOS管应力施加电路中的第三MOS管103和第四MOS管104为应力施加对管，第三MOS管103为应力施加管，第四MOS管104为参考管,第三MOS管103和第四MOS管104与MOS管参数退化的失效预警电路所在的主电路最差工作条件的器件尺寸一致，用于测试MOS管在应力条件下的阈值变化。其工作情况分成两个阶段：应力施加阶段和参数测试阶段。在应力施加阶段，当第三开关107、第四开关108、第六开关110和第七开关111均闭合，且第一开关105、第二开关106、第五开关109和第八开关112均断开，此时外部电压源在第三MOS管103的栅极上施加一个测试激励Vg_stress，该测试激励为三角波或者方波，第三MOS管103产生HCI效应，导致参数退化。此时，第四MOS管104的栅极、漏极接地，处于关闭状态，无电压应力，保持最优状态，作为参考管。在参数测试阶段，第三开关107、第四开关108、第六开关110和第七开关111均断开且第一开关105、第二开关106、第五开关109和第八开关112均闭合，此时第三MOS管103和第四MOS管104的栅极和漏极短接形成二极管，第三MOS管103和第四MOS管104的阈值变化会引起输出电压的变化，通过比较输出电压值的变化可以发现MOS管参数的退化。

在其中一个实施例中，如图3所示，差分放大电路200包括第五MOS管201、第六MOS管202、第七MOS管203、第八MOS管204和第九MOS管205；

第五MOS管201的源极连接第二电源VDD2，第五MOS管201的栅极连接第二偏置电压VB2，第五MOS管201的漏极分别与第六MOS管202的源极、第七MOS管203的源极连接，第六MOS管202的栅极、第七MOS管203的栅极作为双端输入口与MOS管应力施加电路100的双端输出口连接；

第六MOS管202的漏极与第八MOS管204的漏极连接，第七MOS管203的漏极与第九MOS管205的漏极连接，第八MOS管204的栅极和第九MOS管205的栅极均连接第三偏置电压VB3，第八MOS管204的源极和第九MOS管205的源极均接地；

第八MOS管204的漏极和第九MOS管205的漏极作为双端输出口与放大输出电路的双端输入口连接。

在本实施例中，差分放大电路将MOS管应力施加电路输出的阈值差异进行放大，同时消除了MOS管应力施加电路的噪声和工艺偏差，从而提高差分输出信号的抗噪声和失配的能力。本实施例中采用的是普通的差分放大电路，VB2、VB3为电压偏置输入，使差分放大电路中所有的MOS管均处于饱和状态。

在其中一个实施例中，如图4所示，放大输出电路300包括运算放大器301、第一电阻302、第二电阻303、第三电阻304和第四电阻305；

运算放大器301的同相输入端通过第一电阻302连接第四偏置电压VB4，运算放大器301的同相输入端和反相输入端分别连接第二电阻303和第三电阻304后作为双端输入口与差分放大电路200的双端输出口连接，运算放大器301的反相输入端通过第四电阻305连接运算放大器301的输出端，运算放大器301的输出端为放大输出电路300的输出端。

在本实施例中，放大输出电路利用运算放大器对输入差分信号进行相减，并对相减得到的电压进行放大和平移，抬高信号比较基准，从而使输出值能够处于比较电路的最佳比较电压。

优选的，放大输出电路也可以与差分放大电路结合，减少电路结构。

在其中一个实施例中，如图5所示，比较电路400包括比较器401，比较器401的同相输入端与放大输出电路300的输出端连接，比较器401的反相输入端连接比较电压VC1，比较器401的输出端为比较电路400的输出端。

在本实施例中，比较电路中的比较器比较放大输出电路的输出电压和参考点电压值VC1，产生0或1的数字输出，从而实现预警。通过调节参考电压值VC1可以灵活地设置预警阈值。

在其中一个实施例中，如图6所示，MOS管参数退化的失效预警电路还包括锁存输出电路500，锁存输出电路500的输入端与比较电路400的输出端连接。

在本实施例中，锁存输出电路将比较电路的输出进行缓存与保持，便于后续电路进行预警信号的处理。

优选的，如图7所示，锁存输出电路500为锁存器LatchD。

在其中一个实施例中，差分放大电路为多级共源共栅差分放大电路或折叠式差分放大电路。

在其中一个实施例中，MOS管为NMOS管或PMOS管。

预兆单元方法是一种新的可靠性预测的方法。其工作原理是根据电路的失效机理，在电路中增加易损单元，使易损单元先于主单元失效而提供预警，达到保证主单元安全的目的。预兆单元法在保障集成电路的可靠性，降低维修保障费用和提高集成度高的电子装备任务完成率等方面具有多方面的优势。MOS管参数退化的失效预警电路即采用预兆单元的方法预测整体电路的寿命，从而预防由于HCI效应造成的电路失效问题。

在一个优选的实施例中，MOS管参数退化的失效预警电路如图8所示，预警电路的工作原理如下：

预警电路分为两个工作阶段：应力施加阶段和参数测试阶段。

应力施加阶段：当第三开关107、第四开关108、第六开关110和第七开关111均闭合且第一开关105、第二开关106、第五开关109和第八开关112均断开时，电路处于应力施加阶段。此时，外部电压源在第三MOS管103的栅极上施加一个测试激励Vg_stress，该测试激励为三角波或者方波。第三MOS管103的漏极接在电源电压上，即Vd_stress为高电位。此时，当Vg_stress为高电位时，第三MOS管103导通，产生电流；当Vg_stress为低电位时，第三MOS管103关断，电流消失。在Vg_stress施加过程中，第三MOS管103产生HCI效应，造成第三MOS管103参数退化，阈值发生变化。在此阶段中，第四MOS管104的栅极、漏极接地，处于关闭状态，无电压应力，保持最优状态，该管不会受到HCI效应的影响，其阈值电压作为电路预警比较过程中的参考阈值电压。

参数测试阶段：当第三开关107、第四开关108、第六开关110和第七开关111均断开且第一开关105、第二开关106、第五开关109和第八开关112均闭合时，电路进入参数测试阶段。此时，第三MOS管103和第四MOS管104的栅极和漏极短接形成二极管，第三MOS管103和第四MOS管104的阈值变化会引起输出电压的变化，通过比较输出电压值的变化发现NMOS管参数的退化。

假设此时第三MOS管103的阈值电压为Vth3，第四MOS管104的阈值电压为Vth4，由于第三MOS管103和第四MOS管104中的电流Ic是固定不变的，则MOS管应力施加电路的输出，即Vt+和Vt-的电压是：

$Vt+=\sqrt{\frac{Ic}{\mathrm{\β}}}+V_{th3}$

$Vt-=\sqrt{\frac{Ic}{\mathrm{\β}}}+V_{th4}$

式中，β是与MOS管宽长比W/L成正比的器件系数。

MOS管应力施加电路的输出电压经过差分放大器放大，使其输出电压差受噪声影响降低，此时差分放大电路的输出差值为：

V_o+-V_o-＝Aop(V_t+-V_t-)＝Aop(V_th3-V_th4)

Aop为差分放大器的放大倍数。

输出差分信号经过运算放大器A1后，将差分信号转化为单端信号，并进行了放大和平移，此时输出的信号值为：

$\begin{array}{c}{V}_X=\frac{R2}{R1}*(V_{o+}-V_{o-})+VB4\\ =\frac{R2}{R1}Aop*(V_{th3}-V_{th4})+VB4\\ =\frac{R2}{R1}Aop*{\mathrm{\ΔV}}_{th}+VB4\end{array}$

由上式可得，经过两级放大后，阈值电压的退化放大了倍，而基准电压向上平移到VB4，这样有效提高了阈值电压的检测精度和后级比较器C1的比较精度，并可以通过平移基准电平，使比较器工作在最佳状态下。

当阈值电压的变化量超过设定的预警阈值VC1时，比较器C1发生翻转，产生预警信号，并由锁存器LatchD锁存后输出。

本发明设计的MOS管参数退化的失效预警电路的效果明显，主要为：

1、可以监测MOS管参数退化。由于预警电路与所在的主电路经历同样的工作环境，且经受更加严厉的应力退化，因此能够提前于主电路发生退化。通过预警电路的输出可以实时了解主电路中MOS管的退化情况。

2、提高了预警电路抗噪声能力。由于预警电路第二级采用了差分放大电路，消除了MOS管应力施加电路的噪声和工艺偏差，同时对输出信号进行了一级放大，从而提高了差分信号对抗噪声能力，增强了预警电路的灵敏性。

3、电路预警电压能灵活调节，可以根据需求灵活设计预警电路的比较电压，设置不同的预警阈值，提高电路的灵活性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，包括MOS管应力施加电路、差分放大电路、放大输出电路和比较电路；

所述MOS管应力施加电路与所述差分放大电路连接，所述差分放大电路与所述放大输出电路连接，所述放大输出电路与所述比较电路连接；

所述MOS管应力施加电路接收测试激励，对所述MOS管应力施加电路中的MOS管施加应力，所述MOS管应力施加电路输出对应的信号，所述对应的信号经过所述差分放大电路进行差分放大，经过所述放大输出电路进行放大平移，再经过所述比较电路与预设参考值进行比较，获得MOS管参数退化预警信号。

2.根据权利要求1所述的MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，所述MOS管应力施加电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；

所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的源极均连接第一电源，所述第一MOS管的栅极和所述第二MOS管的栅极均连接第一偏置电压，所述第一MOS管的漏极通过所述第一开关连接所述第三MOS管的栅极，所述第二MOS管的漏极通过所述第二开关连接所述第四MOS管的栅极；

所述第三MOS管的栅极通过所述第三开关连接第一测试激励，所述第三MOS管的漏极通过所述第四开关连接第二测试激励，所述第三MOS管的栅极和漏极通过所述第五开关连接，所述第三MOS管的源极接地；

所述第四MOS管的栅极通过所述第六开关接地，所述第四MOS管的漏极通过所述第七开关接地，所述第四MOS管的栅极和漏极通过所述第八开关连接，所述第四MOS管的源极接地；

所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极作为双端输出口与所述差分放大电路的双端输入口连接。

3.根据权利要求1所述的MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，所述差分放大电路包括第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第九MOS管；

所述第五MOS管的源极连接第二电源，所述第五MOS管的栅极连接第二偏置电压，所述第五MOS管的漏极分别与所述第六MOS管的源极、所述第七MOS管的源极连接，所述第六MOS管的栅极、所述第七MOS管的栅极作为双端输入口与所述MOS管应力施加电路的双端输出口连接；

所述第六MOS管的漏极与所述第八MOS管的漏极连接，所述第七MOS管的漏极与所述第九MOS管的漏极连接，所述第八MOS管的栅极和所述第九MOS管的栅极均连接第三偏置电压，所述第八MOS管的源极和所述第九MOS管的源极均接地；

所述第八MOS管的漏极和所述第九MOS管的漏极作为双端输出口与所述放大输出电路的双端输入口连接。

4.根据权利要求1所述的MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，所述放大输出电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述运算放大器的同相输入端通过第一电阻连接第四偏置电压，所述运算放大器的同相输入端和反相输入端分别连接第二电阻和第三电阻后作为双端输入口与所述差分放大电路的双端输出口连接，所述运算放大器的反相输入端通过第四电阻连接所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的输出端为所述放大输出电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，所述比较电路包括比较器，所述比较器的同相输入端与所述放大输出电路的输出端连接，所述比较器的反相输入端连接比较电压，所述比较器的输出端为所述比较电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，还包括锁存输出电路，所述锁存输出电路的输入端与所述比较电路的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，所述差分放大电路为多级共源共栅差分放大电路或折叠式差分放大电路。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的MOS管参数退化的失效预警电路，其特征在于，所述MOS管为NMOS管或PMOS管。