CN110763972A - Mosfet的阈值电压的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MOSFET的阈值电压的测量方法，包括步骤：步骤一、将MOSFET的栅极和漏极短接，在漏极注入漏极电流，测量源漏电压并作为初始阈值电压；步骤二、根据初始阈值电压设定栅极电压测量范围；步骤三、在栅极电压测量范围内测量MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线；步骤四、从静态转移特性曲线得到最大跨导值并线性外推形成最终阈值电压。本发明能提高测量速率同时不影响或提高测量精度，能实现快速精确测量。

Description

MOSFET的阈值电压的测量方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别涉及一种MOSFET的阈值电压的测量方法。
背景技术
随着半导体制造技术的发展，对于MOS管即MOSFET的阈值电压值的准确度要求越来越高。目前做模型需要的测量项目越来越多，对于既能快速而又精准的测量提了更高的要求。现有方法是采用Vtgm测量方法进行测量，因为是要去寻找一个最大跨导值，所以测量相对比较费时。
现有MOSFET的阈值电压的测量方法包括如下步骤：
将MOSFET的漏极接较小电压如0.1V，是MOSFET工作在线性工作区；
之后，从0V到电源电压Vdd进行扫描并测量漏极电流Id，形成如图1所示的静态转移特性曲线101。
计算所述静态转移特性曲线101的最大跨导值；在所述最大跨导值位置处做所述静态转移特性曲线的切线，切线的延长线上漏极电流Id为零时对应的栅极电压为所述阈值电压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MOSFET的阈值电压的测量方法，能提高测量速率同时不影响或提高测量精度。
为解决上述技术问题，本发明提供的MOSFET的阈值电压的测量方法包括步骤：
步骤一、将MOSFET的栅极和漏极短接，在漏极注入漏极电流，测量源漏电压；以所测量的源漏电压为初始阈值电压。
步骤二、根据所述初始阈值电压设定栅极电压测量范围，所述初始阈值电压位于所述栅极电压测量范围内，所述初始阈值电压减小第一值得到所述栅极电压测量范围的下限值，所述初始阈值电压增加第二值得到所述栅极电压测量范围的上限值。
步骤三、在所述栅极电压测量范围内测量所述MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线。
步骤四、从所述静态转移特性曲线得到最大跨导值并线性外推形成所述最终阈值电压。
进一步的改进是，所述第一值和所述第二值大于等于所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值。
进一步的改进是，所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值通过在步骤一之前采用如下预估步骤得到：
提供多个预估用MOSFET；所述预估用MOSFET和步骤一中的所述MOSFET工艺参数相同。
设定最大栅极电压测量范围，所述最大栅极电压测量范围为从0V到电源电压。
在所述最大栅极电压测量范围内测量所述预估用MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线并从所述静态转移特性曲线得到最大跨导值并线性外推形成所述预估用MOSFET的所述最终阈值电压。
测量多个所述预估用MOSFET的所述初始阈值电压。
统计出所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值。
进一步的改进是，所述最大偏差值小于等于0.03V。
进一步的改进是，所述第一值等于所述第二值。
进一步的改进是，所述第一值为0.1V。
进一步的改进是，步骤三中测量时所述栅极电压的扫描步进为0.01V或者为0.05V。
进一步的改进是，所述MOSFET为NMOS，步骤一中，所述MOSFET的源极接地。
进一步的改进是，步骤三中，所述漏极电压小于等于0.1V，使所述MOSFET工作在线性工作区。
进一步的改进是，步骤一中注入的漏极电流为几个E-6A。
进一步的改进是，所述MOSFET为PMOS，步骤一中，所述MOSFET的源极接电源电压。
进一步的改进是，步骤三中，所述漏极和所述源极的电压差小于等于0.1V，使所述MOSFET工作在线性工作区。
进一步的改进是，步骤一中注入的漏极电流为几个E-6A。
进一步的改进是，步骤三中，所述静态转移特性曲线为漏极电流随栅极电压变化的曲线。
进一步的改进是，步骤四中，线性外推为在所述最大跨导值位置处做所述静态转移特性曲线的切线，切线的延长线上漏极电流为零时对应的栅极电压为所述最终阈值电压。
本发明中并不需要从0V到电源电压的整个范围内对MOSFET进行线性工作区的静态转移特性曲线的测量，而是先对MOSFET进行栅漏短接并在漏极注入电流来测量源漏电压形成初始阈值电压，之后再在初始阈值电压的上下偏离范围即栅极电压测量范围内对MOSFET进行线性工作区的静态转移特性曲线的测量，由于本发明静态转移特性曲线对应的栅极电压测量范围小于现有方法，不仅能采用更少的时间得到静态转移特性曲线；而且由于静态转移特性曲线的栅极电压范围变小，在更小的栅极电压范围内能更加快速找到静态转移特性曲线的最大跨导值，所以本发明能提高测量速率同时不影响或提高测量精度，能实现快速精确测量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有MOSFET的阈值电压的测量方法中形成的静态转移特性曲线；
图2是本发明实施例MOSFET的阈值电压的测量方法的流程图；
图3是本发明实施例步骤一中的MOSFET连接图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明实施例MOSFET的阈值电压的测量方法的流程图；本发明实施例MOSFET的阈值电压的测量方法包括步骤：
步骤一、将MOSFET的栅极和漏极短接，在漏极注入漏极电流，测量源漏电压；以所测量的源漏电压为初始阈值电压。
如图3所示，是本发明实施例步骤一中的MOSFET连接图，图3中，M1表示所述MOSFET，栅极用G表示，漏极用D表示，源极用S表示，注入的漏极电流用Id表示。
步骤一中注入的漏极电流为几个E-6A，例如为1E-6A。
步骤二、根据所述初始阈值电压设定栅极电压测量范围，所述初始阈值电压位于所述栅极电压测量范围内，所述初始阈值电压减小第一值得到所述栅极电压测量范围的下限值，所述初始阈值电压增加第二值得到所述栅极电压测量范围的上限值。
所述第一值和所述第二值大于等于所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值。
本发明实施例中，所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值通过在步骤一之前采用如下预估步骤得到：
提供多个预估用MOSFET；所述预估用MOSFET和步骤一中的所述MOSFET工艺参数相同。
设定最大栅极电压测量范围，所述最大栅极电压测量范围为从0V到电源电压。
在所述最大栅极电压测量范围内测量所述预估用MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线并从所述静态转移特性曲线得到最大跨导值并线性外推形成所述预估用MOSFET的所述最终阈值电压。即所述预估用MOSFET的所述最终阈值电压采用现有方法得到。
测量多个所述预估用MOSFET的所述初始阈值电压。
统计出所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值。
通常，所述最大偏差值小于等于0.03V。
所述第一值等于所述第二值。所述第一值为0.1V。
当确定所述最大偏差值之后，后续具有同种工艺参数结构的所述MOSFET就不需要再进行上述预估步骤，而是直接选定所述第一值和所述第二值即可。
步骤三、在所述栅极电压测量范围内测量所述MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线。
所述静态转移特性曲线为漏极电流随栅极电压变化的曲线。
步骤三中测量时所述栅极电压的扫描步进为0.01V。在其他实施例中也能为：0.05V，0.05V的测量精度更高，但是测量次数更多。
步骤四、从所述静态转移特性曲线得到最大跨导值并线性外推形成所述最终阈值电压。
线性外推为在所述最大跨导值位置处做所述静态转移特性曲线的切线，切线的延长线上漏极电流为零时对应的栅极电压为所述最终阈值电压。
本发明实施例中，所述MOSFET为NMOS，步骤一中，所述MOSFET的源极接地。步骤三中，所述漏极电压小于等于0.1V，使所述MOSFET工作在线性工作区。在其他实施例中也能为：所述MOSFET为PMOS，步骤一中，所述MOSFET的源极接电源电压；所述漏极和所述源极的电压差小于等于0.1V，使所述MOSFET工作在线性工作区。
本发明实施例中并不需要从0V到电源电压的整个范围内对MOSFET进行线性工作区的静态转移特性曲线的测量，而是先对MOSFET进行栅漏短接并在漏极注入电流来测量源漏电压形成初始阈值电压，之后再在初始阈值电压的上下偏离范围即栅极电压测量范围内对MOSFET进行线性工作区的静态转移特性曲线的测量，由于本发明静态转移特性曲线对应的栅极电压测量范围小于现有方法，不仅能采用更少的时间得到静态转移特性曲线；而且由于静态转移特性曲线的栅极电压范围变小，在更小的栅极电压范围内能更加快速找到静态转移特性曲线的最大跨导值，所以本发明实施例能提高测量速率同时不影响测量精度，能实现快速精确测量。
下面以28LP的NMOS105为例,28LP表示28纳米低功耗制程，105表示工作电压为1.05V。
采用现有测量方法时：对于每颗器件(device)测量，以0.01V为扫描步进来算，至少需要测量1.05/0.01＝105个点。
而采用本发明实施例测量方法，输入Id电流为1E-6，经过预估步骤可以得到所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值仅为0.03V。设定所述第一值和所述第二值都为0.1V，这样进行对所述初始阈值电压的+-0.1V的栅极电压测量范围进行测量，同样以0.01V为扫描步进来算，只需要20点，每颗器件速度快了80％；若是想更精准一些，以0.005V为扫描步进来算，最多40个点，每颗器件快了60％。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一、将MOSFET的栅极和漏极短接，在漏极注入漏极电流，测量源漏电压；以所测量的源漏电压为初始阈值电压；
步骤二、根据所述初始阈值电压设定栅极电压测量范围，所述初始阈值电压位于所述栅极电压测量范围内，所述初始阈值电压减小第一值得到所述栅极电压测量范围的下限值，所述初始阈值电压增加第二值得到所述栅极电压测量范围的上限值；
步骤三、在所述栅极电压测量范围内测量所述MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线；
步骤四、从所述静态转移特性曲线得到最大跨导值并线性外推形成所述最终阈值电压。
2.如权利要求1所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：所述第一值和所述第二值大于等于所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值。
3.如权利要求2所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值通过在步骤一之前采用如下预估步骤得到：
提供多个预估用MOSFET；所述预估用MOSFET和步骤一中的所述MOSFET工艺参数相同；
设定最大栅极电压测量范围，所述最大栅极电压测量范围为从0V到电源电压；
在所述最大栅极电压测量范围内测量所述预估用MOSFET的线性工作区的静态转移特性曲线并从所述静态转移特性曲线得到最大跨导值并线性外推形成所述预估用MOSFET的所述最终阈值电压；
测量多个所述预估用MOSFET的所述初始阈值电压；
统计出所述初始阈值电压和所述最终阈值电压之间的最大偏差值。
4.如权利要求3所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：所述最大偏差值小于等于0.03V。
5.如权利要求1或4所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：所述第一值等于所述第二值。
6.如权利要求5所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：所述第一值为0.1V。
7.如权利要求6所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：步骤三中测量时所述栅极电压的扫描步进为0.01V或者为0.05V。
8.如权利要求1所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：所述MOSFET为NMOS，步骤一中，所述MOSFET的源极接地。
9.如权利要求8所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：步骤三中，所述漏极电压小于等于0.1V，使所述MOSFET工作在线性工作区。
10.如权利要求8所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：步骤一中注入的漏极电流为几个E-6A。
11.如权利要求1所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：所述MOSFET为PMOS，步骤一中，所述MOSFET的源极接电源电压。
12.如权利要求11所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：步骤三中，所述漏极和所述源极的电压差小于等于0.1V，使所述MOSFET工作在线性工作区。
13.如权利要求11所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：步骤一中注入的漏极电流为几个E-6A。
14.如权利要求1所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：步骤三中，所述静态转移特性曲线为漏极电流随栅极电压变化的曲线。
15.如权利要求14所述的MOSFET的阈值电压的测量方法，其特征在于：步骤四中，线性外推为在所述最大跨导值位置处做所述静态转移特性曲线的切线，切线的延长线上漏极电流为零时对应的栅极电压为所述最终阈值电压。
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