CN116338407A - 环形振荡器的测试电路及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环形振荡器(RO)的测试电路，在现有的环形振荡器设计规则中，同一个反相器中的NMOS管与PMOS管通常为相同阈值电压水平的MOS场效应管，本发明灵活运用测试键设计规则和逻辑运算，设计混合NMOS与PMOS阈值电压类型(Mixed Vt)的环形振荡器。本发明可以实现在一片晶圆内进行NMOS与PMOS的饱和电流比对环形振荡器直流性能的影响的探究，解决不同晶圆之间差异产生的测量误差的问题；可以得到更多组的试验设计，节约了生产资源，降低了研发成本，提高了测试效率。

Description

环形振荡器的测试电路及其使用方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种环形振荡器的测试电路及其使用方法。

背景技术

CMOS环形振荡器是一种由三个或更多奇数个反相器首尾相连组成的环形电路(如图1所示)，因其宽调谐范围、低功耗、结构简单及面积小等优点而被广泛应用于各种集成电路系统中。其中，CMOS反相器作为最基础的功能单元，由两个增强型MOS场效应管(NMOS管和PMOS管)组成。而随着NMOS管与PMOS管的阈值电压(Vt)及饱和电流(IDSAT)的变化，环形振荡器静态漏电流(IDDQ)，动态电流(IDDA)及门延时(Td)等会随之发生变化，进而影响CMOS环形振荡器性能。在现有的环形振荡器设计规则中，请参阅图2，同一个反相器中的NMOS管与PMOS管通常为相同Vt水平的MOS场效应管(如RNVT与RPVT，LNVT与LPVT，HNVT与HPVT等)，影响环形振荡器器件的性能的影响因素除了器件的电容电阻外，同时受到环形振荡器器件N/P MOS饱和电流比值(N/P IDSAT Ratio)的影响。实际在生产过程中，为了得到最佳性能的环形振荡器，在研发过程中通常采用牺牲硅片(Wafer Split)的方式，通过改变NMOS与PMOS管的阈值电压从而调整NMOS与所述PMOS的饱和电流比，监测环形振荡器性能从而找到最佳的NMOS与所述PMOS的饱和电流比。但这种方式一方面会受晶圆与晶圆之间差异的影响，另一方面也容易造成资源浪费，增加研发成本。

为解决上述问题，需要提出一种新型的环形振荡器的测试电路及其使用方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种环形振荡器的测试电路及其使用方法，用于解决现有技术中为了得到最佳性能的环形振荡器，在研发过程中通常采用牺牲硅片的方式，通过改变NMOS与PMOS管的阈值电压从而调整NMOS与所述PMOS的饱和电流比，监测环形振荡器性能从而找到最佳的NMOS与所述PMOS的饱和电流比。但这种方式一方面会受晶圆与晶圆之间差异的影响，另一方面也容易造成资源浪费，增加研发成本的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种环形振荡器的测试电路，包括：

环形振荡器，所述环形振荡器由x个反相器首尾相连组成，x为大于等于三的奇数；

每个所述反向器由一NMOS和一PMOS组成；

其中，所述NMOS管与所述PMOS管均包括n种类型的阈值电压，n为大于一的整数；

所述环形振荡器中的所述NMOS的阈值电压为第一类型，所述PMOS中的阈值电压为第二类型，所述环形振荡器的所述NMOS、所述PMOS的阈值电压组合方式包括n*n种。

优选地，所述NMOS和所述PMOS均为增强型MOS管。

优选地，所述NMOS管与所述PMOS管的阈值电压类型包括：低阈值电压、中阈值电压、高阈值电压。

优选地，多种阈值电压组合方式的环形振荡器均设置于半导体衬底上。

优选地，所述测试电路用于测量所述环形振荡器的所述NMOS与所述PMOS的饱和电流比。

优选地，所述NMSO管和所述PMOS管的阈值电压调节方法包括：提供所述NMOS管和所述的设计版图；设计光罩图形以定义出所述NMOS管和所述PMOS管的打开区域；将所述光罩图形转移至半导体衬底上的光刻胶层上，之后调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

优选地，利用离子注入的方法调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

本发明提供一种环形振荡器的测试电路的使用方法，包括：

步骤一、提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成多个环形振荡器，所述环形振荡器由x个反相器首尾相连组成，x为大于等于三的奇数；

每个所述反向器由一NMOS和一PMOS组成；

其中，所述NMOS管与所述PMOS管均包括n种类型的阈值电压，n为大于一的整数；

所述环形振荡器中的所述NMOS的阈值电压为第一类型，所述PMOS中的阈值电压为第二类型，所述环形振荡器的所述NMOS、所述PMOS的阈值电压组合方式包括n*n种；

步骤二、在每种阈值电压组合方式的所述环形振荡器中，改变所述PMOS、所述NMOS的阈值电压，获取所述NMOS与所述PMOS的饱和电流比数据；

步骤三、根据所述饱和电流比数据获取符合需求的设置参数。

优选地，步骤一中的所述NMOS和所述PMOS均为增强型MOS管。

优选地，步骤一中的所述NMOS管与所述PMOS管的阈值电压类型包括：低阈值电压、中阈值电压、高阈值电压。

优选地，步骤一中所述NMSO管和所述PMOS管的阈值电压调节方法包括：步骤一中所述NMSO管和所述PMOS管的阈值电压调节方法包括：提供所述NMOS管和所述的设计版图；设计光罩图形以定义出所述NMOS管和所述PMOS管的打开区域；将所述光罩图形转移至半导体衬底上的光刻胶层上，之后调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

优选地，步骤一中利用离子注入的方法调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

如上所述，本发明的环形振荡器的测试电路及其使用方法，具有以下有益效果：

本发明可以实现在一片晶圆内进行NMOS与所述PMOS的饱和电流比对环形振荡器直流性能的影响的探究，解决不同晶圆之间差异产生的测量误差的问题；可以得到更多组的试验设计，节约了生产资源，降低了研发成本，提高了测试效率。

附图说明

图1显示为现有技术的环形振荡器结构示意图；

图2显示为现有技术的反相器结构示意图；

图3显示为本发明一种实施例的反相器结构示意图；

图4显示为本发明另一种实施例的反相器结构示意图；

图5显示为本发明的测试电路的使用方法示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明提供一种环形振荡器的测试电路，包括：

环形振荡器，环形振荡器由x个反相器首尾相连组成，x为大于等于三的奇数；

每个反向器由一NMOS和一PMOS组成；

其中，NMOS管与PMOS管均包括n种类型的阈值电压，n为大于一的整数；

环形振荡器中的NMOS的阈值电压为第一类型，PMOS中的阈值电压为第二类型，环形振荡器的NMOS、PMOS的阈值电压组合方式包括n*n种，当改变其中的一种MOS管的阈值电压，则随之会产生n组新的NMOS与PMOS的饱和电流比数据。在现有的环形振荡器设计规则中，同一个反相器中的NMOS管与PMOS管通常为相同阈值电压水平的MOS场效应管，本发明灵活运用Testkey(测试键)设计规则和逻辑运算，设计混合NMOS与PMOS阈值电压类型(MixedVt)的环形振荡器器件。

在本发明的实施例中，NMOS和PMOS均为增强型MOS管。

在本发明的实施例中，NMOS管与PMOS管的阈值电压类型包括：低阈值电压、中阈值电压、高阈值电压。需要说明的是，此处的阈值电压类型也可为本领域技术人员熟知的阈值电压，此处不作具体限定。

实例性地，NMOS管与PMOS管的阈值电压类型为低阈值电压、中阈值电压、高阈值电压，则环形振荡器的NMOS、PMOS的阈值电压组合方式包括9种。即包括：NMOS为低阈值电压、PMOS为低阈值电压；NMOS为低阈值电压、PMOS为中阈值电压；NMOS为低阈值电压、PMOS为高阈值电压；NMOS为中阈值电压、PMOS为低阈值电压(如图3所示)；NMOS为中阈值电压、PMOS为中阈值电压(如图2所示)；NMOS为中阈值电压、PMOS为高阈值电压(如图4所示)；NMOS为高阈值电压、PMOS为低阈值电压；NMOS为高阈值电压、PMOS为中阈值电压；NMOS为高阈值电压、PMOS为高阈值电压。

在本发明的实施例中，多种阈值电压组合方式的环形振荡器均设置于半导体衬底上。半导体衬底包括块状半导体衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。SOI衬底包括位于作为SOI衬底的有源层的薄半导体层下方的绝缘体层。有源层的半导体和块状半导体通常包括晶体半导体材料硅，但也可以包括一种或多种其他半导体材料，诸如锗、硅锗合金、化合物半导体(例如，GaAs、AlAs、InAs、GaN、AlN等)或其合金(例如，GaxAl1-xAs、GaxAl1-xN、InxGa1-xAs等)、氧化物半导体(例如，ZnO、SnO2、TiO2、Ga2O3等)或其组合。半导体材料可以是掺杂的或未掺杂的。可以使用的其他衬底包括多层衬底、梯度衬底或混合取向衬底。

在本发明的实施例中，NMSO管和PMOS管的阈值电压调节方法包括：提供NMOS管和的设计版图；设计光罩图形以定义出NMOS管和PMOS管的打开区域；将光罩图形转移至半导体衬底上的光刻胶层上，之后在打开区域进行相应的工艺调节NMOS管和PMOS管的阈值电压。通过调节PMOS管、NMOS管的打开区域即可调节相应的阈值电压。在不同的工艺平台上调节阈值电压的方式会不一样。当定义了某个区域为某种阈值电压类型的NMOS或者PMOS管，工艺中需要使用光罩的每一步都会通过逻辑运算来定义该区域是否打开。

在本发明的实施例中，可通过离子注入调节阈值电压，也可以采用其他本领域技术人员熟知的工艺来调节阈值电压。

在现有的环形振荡器设计规则中，同一个反相器中的NMOS管与PMOS管通常为相同阈值电压水平的MOS场效应管，而本发明灵活运用Testkey(测试键)设计规则和逻辑运算，设计混合NMOS与PMOS阈值电压类型(Mixed Vt)的环形振荡器器件。

请参阅图5，本发明提供一种环形振荡器的测试电路的使用方法，包括：

步骤一、提供半导体衬底，在半导体衬底上形成多个环形振荡器，环形振荡器由x个反相器首尾相连组成，x为大于等于三的奇数；半导体衬底包括块状半导体衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。SOI衬底包括位于作为SOI衬底的有源层的薄半导体层下方的绝缘体层。有源层的半导体和块状半导体通常包括晶体半导体材料硅，但也可以包括一种或多种其他半导体材料，诸如锗、硅锗合金、化合物半导体(例如，GaAs、AlAs、InAs、GaN、AlN等)或其合金(例如，GaxAl1-xAs、GaxAl1-xN、InxGa1-xAs等)、氧化物半导体(例如，ZnO、SnO2、TiO2、Ga2O3等)或其组合。半导体材料可以是掺杂的或未掺杂的。可以使用的其他衬底包括多层衬底、梯度衬底或混合取向衬底。

每个反向器由一NMOS和一PMOS组成；

其中，NMOS管与PMOS管均包括n种类型的阈值电压，n为大于一的整数；

环形振荡器中的NMOS的阈值电压为第一类型，PMOS中的阈值电压为第二类型，环形振荡器的NMOS、PMOS的阈值电压组合方式包括n*n种；当改变其中的一种MOS管的阈值电压，则随之会产生n组新的NMOS与PMOS的饱和电流比数据。

在本发明的实施例中，步骤一中的NMOS和PMOS均为增强型MOS管。

示例性地，步骤一中的NMOS管与PMOS管的阈值电压类型包括：低阈值电压、中阈值电压、高阈值电压。即包括：NMOS为低阈值电压、PMOS为低阈值电压；NMOS为低阈值电压、PMOS为中阈值电压；NMOS为低阈值电压、PMOS为高阈值电压；NMOS为中阈值电压、PMOS为低阈值电压(如图3所示)；NMOS为中阈值电压、PMOS为中阈值电压(如图2所示)；NMOS为中阈值电压、PMOS为高阈值电压(如图4所示)；NMOS为高阈值电压、PMOS为低阈值电压；NMOS为高阈值电压、PMOS为中阈值电压；NMOS为高阈值电压、PMOS为高阈值电压。

需要说明的是，此处的阈值电压类型也可为本领域技术人员熟知的阈值电压，此处不作具体限定。

在本发明的实施例中，NMSO管和PMOS管的阈值电压调节方法包括：提供NMOS管和的设计版图；设计光罩图形以定义出NMOS管和PMOS管的打开区域；将光罩图形转移至半导体衬底上的光刻胶层上，之后在打开区域进行相应的工艺调节NMOS管和PMOS管的阈值电压。通过调节PMOS管、NMOS管的打开区域即可调节相应的阈值电压。在不同的工艺平台上调节阈值电压的方式会不一样。当定义了某个区域为某种阈值电压类型的NMOS或者PMOS管，工艺中需要使用光罩的每一步都会通过逻辑运算来定义该区域是否打开。

在本发明的实施例中，可通过离子注入调节阈值电压，也可以采用其他本领域技术人员熟知的工艺来调节阈值电压。

在现有的环形振荡器设计规则中，同一个反相器中的NMOS管与PMOS管通常为相同阈值电压水平的MOS场效应管，本发明灵活运用Testkey(测试键)设计规则和逻辑运算，设计混合NMOS与PMOS阈值电压类型(Mixed Vt)的环形振荡器器件。

步骤二、在每种阈值电压组合方式的环形振荡器中，改变PMOS、NMOS的阈值电压，获取NMOS与PMOS的饱和电流比数据；

步骤三、根据饱和电流比数据获取符合需求的设置参数。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

综上所述，本发明可以实现在一片晶圆内进行NMOS与所述PMOS的饱和电流比对环形振荡器直流性能的影响的探究，解决不同晶圆之间差异产生的测量误差的问题；可以得到更多组的试验设计，节约了生产资源，降低了研发成本，提高了测试效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种环形振荡器的测试电路，其特征在于，包括：

环形振荡器，所述环形振荡器由x个反相器首尾相连组成，x为大于等于三的奇数；

每个所述反向器由一NMOS和一PMOS组成；

其中，所述NMOS管与所述PMOS管均包括n种类型的阈值电压，n为大于一的整数；

所述环形振荡器中的所述NMOS的阈值电压为第一类型，所述PMOS中的阈值电压为第二类型，所述环形振荡器的所述NMOS、所述PMOS的阈值电压组合方式包括n*n种。

2.根据权利要求1所述的环形振荡器的测试电路，其特征在于：所述NMOS和所述PMOS均为增强型MOS管。

3.根据权利要求1所述的环形振荡器的测试电路，其特征在于：所述NMOS管与所述PMOS管的阈值电压类型包括：低阈值电压、中阈值电压、高阈值电压。

4.根据权利要求1所述的环形振荡器的测试电路，其特征在于：多种阈值电压组合方式的环形振荡器均设置于半导体衬底上。

5.根据权利要求1所述的环形振荡器的测试电路，其特征在于：所述NMSO管和所述PMOS管的阈值电压调节方法包括：提供所述NMOS管和所述PMOS管的设计版图；设计光罩图形以定义出所述NMOS管和所述PMOS管的打开区域；将所述光罩图形转移至半导体衬底上的光刻胶层上，之后调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

6.根据权利要求5所述的环形振荡器的测试电路，其特征在于：利用离子注入的方法调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

7.根据权利要求1所述的环形振荡器的测试电路，其特征在于：所述测试电路用于测量所述环形振荡器的所述NMOS与所述PMOS的饱和电流比。

8.根据权利要求1至7任一项所述的环形振荡器的测试电路的使用方法，其特征在于，包括：

步骤一、提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成多个环形振荡器，所述环形振荡器由x个反相器首尾相连组成，x为大于等于三的奇数；

每个所述反向器由一NMOS和一PMOS组成；

其中，所述NMOS管与所述PMOS管均包括n种类型的阈值电压，n为大于一的整数；

所述环形振荡器中的所述NMOS的阈值电压为第一类型，所述PMOS中的阈值电压为第二类型，所述环形振荡器的所述NMOS、所述PMOS的阈值电压组合方式包括n*n种；

步骤二、在每种阈值电压组合方式的所述环形振荡器中，改变所述PMOS、所述NMOS的阈值电压，获取所述NMOS与所述PMOS的饱和电流比数据；

步骤三、根据所述饱和电流比数据获取符合需求的设置参数。

9.根据权利要求8所述的环形振荡器的测试电路的使用方法，其特征在于：步骤一中的所述NMOS和所述PMOS均为增强型MOS管。

10.根据权利要求8所述的环形振荡器的测试电路的使用方法，其特征在于：步骤一中的所述NMOS管与所述PMOS管的阈值电压类型包括：低阈值电压、中阈值电压、高阈值电压。

11.根据权利要求8所述的环形振荡器的测试电路的使用方法，其特征在于：步骤一中所述NMSO管和所述PMOS管的阈值电压调节方法包括：提供所述NMOS管和所述的设计版图；设计光罩图形以定义出所述NMOS管和所述PMOS管的打开区域；将所述光罩图形转移至半导体衬底上的光刻胶层上，之后调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

12.根据权利要求11所述的环形振荡器的测试电路的使用方法，其特征在于：步骤一中利用离子注入的方法调节所述NMOS管和所述PMOS管的阈值电压。

Images