CN1378255A

CN1378255A - 信道热载流子效应测量装置及其方法

Info

Publication number: CN1378255A
Application number: CN 01109546
Authority: CN
Inventors: 陈伟梵
Original assignee: Winbond Electronics Corp
Current assignee: Winbond Electronics Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-11-06
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: CN1260798C

Abstract

一种信道热载流子效应测量装置,适用于CMOS反相器。该装置包括:一电源供应器、一功能产生器、以及一电流计。电源供应器是耦接至CMOS反相器,向CMOS反相器提供一电源电压。功能产生器耦接至CMOS反相器,向CMOS反相器的该输入端提供一三角波信号。电流计与CMOS反相器串接,于CMOS反相器经过热载流子效应应力处理前后,测量CMOS反相器瞬时电流。

Description

信道热载流子效应测量装置及其方法

本发明涉及半导体装置的可靠度分析技术，特别是涉及一种信道热载子效应测量评估装置及其方法。

当半导体装置尺寸缩减时，无可避免地会遭遇到热载流子效应(hot carrier effect)的问题。该热载流子效应不仅会影响MOS晶体管内栅极氧化层的可靠度，电路也会因为传递延迟(propagation delay)的增加而降低操作速度，进而影响到整个电子产品的使用寿命(lifetime)。

因此，如何正确地测量MOS组件内信道热载流子效应，即便是可靠度分析的一大课题。美国专利第5,587,665号披露利用NMOS晶体管与PMOS晶体管组成一环式振荡器(ring oscillator)，藉由计算传递延迟，据以推论电路遭受信道热载流子效应破坏的程度。另外，在美国专利第5,504,431号案中，是利用发光传感器(luminescence sensor)测量CMOS的切换时间(switch time)，据以推论信道热载流子效应破坏的程度。

然而，在美国专利第5,587,665号案的环式振荡器内，由若干NMOS与PMOS晶体管所组成，假若组件间的变异程度大，则较不易精确地测量信道热载流子效应。至于美国专利第5,504,431号案所披露的发光传感器，在半导体工艺中不太普及。

因此，本发明的目的，在于提供一种信道热载流子效应测量评估装置及其方法，利用电源供应器(power supply)、功能产生器(functiongenerator)、及电流计(current meter)等，对于CMOS反相器遭受信道热载流子效应前后瞬时电流进行量测，便可精确地测量评估出信道热载流子效应破坏的程度。

本发明可藉由提供一种信道热载流子效应测量装置来完成。此信道热载流子效应测量装置适用于一CMOS反相器，CMOS反相器具有一输入端与一输出端。信道热载流子效应评量装置包括：一电源供应器、一功能产生器、以及一电流计。电源供应器是耦接至CMOS反相器，提供一电源电压与CMOS反相器。功能产生器是耦接至CMOS反相器，提供一三角波信号至CMOS反相器该输入端。电流计是与CMOS反相器串接，是于CMOS反相器经过热载流子效应应力处理前后，测量CMOS反相器之瞬时电流。

据此，本发明仅需利用简单的单一CMOS反相器，并配合电源供应器、电流计、功能产生器等相当普及的测量工具，便可以精确地评量出信道热载流子效应破坏的程度，不失为一种兼具简单、可靠、低成本等优点的信道热载流子效应测量评估方法。

另外，本发明还提供一种信道热载流子效应测量评估方法。首先，提供一CMOS反相器，具有一输入端与一输出端。然后，提供一电源电压予CMOS反相器，提供一三角波信号至CMOS反相器输入端后，对CMOS反相器第一瞬时电流进行量测。接着，对CMOS反相器施行热载流子效应应力处理。然后，提供该电源电压予CMOS反相器，提供该三角波信号至CMOS反相器输入端后，量测CMOS反相器第二瞬时电流。最后，对于第一瞬时电流与第二瞬时电流差异进行比较。

为让本发明上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图的简要说明：

图1显示一CMOS反相器的示意图；

图2显示第1图CMOS反相器v_O/v_I转移曲线；

图3显示根据本发明对一CMOS反相器量测瞬时电流(transientcurrent)示意图；以及

图4显示根据本发明第3图CMOS反相器施行热载流子应力处理(stressing)示意图。图号说明：

30～CMOS反相器；32～电源供应器；34～电流计；以及，36～功能产生器。

实施例：

请参照图1，所示为一CMOS反相器的示意图。此CMOS反相器包含一PMOS晶体管Q_P与一NMOS晶体管Q_N。PMOS晶体管Q_P以源极连接V_DD(通常为5V或3.3V电压)，而NMOS晶体管Q_N以源极连接至接地电位GND。PMOS晶体管Q_P与NMOS晶体管Q_N的栅极耦接成一输入端，PMOS晶体管Q_P与NMOS晶体管Q_N漏极耦接成一输出端，而CMOS反相器输入端与输出端电压分别表示为v_I和v_O等。再者，PMOS晶体管Q_P与NMOS晶体管Q_N分别具有门限电压(threshold voltage)V_TP和V_TN，而V_TP为负值、V_TN为正值。

请参照图2，它是显示图2CMOS反相器v_O/v_I转移曲线。图2中，当输入端电压v_I介于A点至B点之间时，因v_I＜V_TN，故NMOS晶体管Q_N是成截止状态，而PMOS晶体管Q_P是于线性区(linear region)操作。待输入端电压v_I介于B点至C点之间时，NMOS晶体管Q_N于饱和区(saturation region)操作，而PMOS晶体管Q_P仍于线性区操作。当输入端电压v_I为V_M(C点至D点之间)时，则NMOS晶体管Q_N与PMOS晶体管Q_P均呈饱和区操作，此电压V_M可称之为转换电压(transitionvoltage)。当输入端电压v_I介于D点至E点之间时，PMOS晶体管Q_P于饱和区操作，而NMOS晶体管Q_N则于线性区操作。待输入端之电压v_I介于E点至F点之间时，因V_I＞(V_DD+V_TP)，故PMOS晶体管Q_P成截止状态，而NMOS晶体管Q_N于线性区操作。

由于图2C点至D点之间，NMOS晶体管Q_N与PMOS晶体管Q_P均呈饱和区操作，故上述转换电压V_M可如下：

V_{M} = \frac{V_{DD} + V_{TP} + V_{TN} \sqrt{\frac{k_{N}}{k_{P}}}}{1 + \sqrt{\frac{k_{N}}{k_{P}}}} - - - (1)

其中，k_N＝μ_NC_OXW_N/L_N，k_P＝μ_PC_OXW_P/L_P。μ_N、μ_P分别代表电子与电洞移动率，C_OX为栅极氧化层电容量，W_N、W_P分别代表NMOS晶体管Q_N与PMOS晶体管Q_P信道宽度，L_N、L_P分别代表NMOS晶体管Q_N与PMOS晶体管Q_P信道长度。

因此，转换电压V_M可以藉由调整k_N/k_P之比例做改变。换句话说，可藉由调整NMOS晶体管Q_N与PMOS晶体管Q_P间长宽比(aspect ratio)(W_N/L_N)/(W_P/L_P)，即可调整转换电压V_M之值。例如，当k_N/k_P＝1，而V_TN与|V_TP|约略相等时，转换电压V_M约为V_DD/2；若k_N/k_P＞1，则转换电压V_M＜V_DD/2，而逼近于V_TN；若k_N/k_P＜1，则转换电压V_M＞V_DD/2，而逼近于(V_DD+V_TP)。而根据本发明，期将转换电压V_M调整至介于V_DD/2和V_TN间范围，亦即k_N/k_P需大于1。

请参照图3，它是根据本发明对一CMOS反相器30测量瞬时电流(transient current)示意图。此CMOS反相器30可以是如同图1所示，包含PMOS晶体管Q_P与NMOS晶体管Q_N。PMOS晶体管Q_P以源极连接一电源供应器32，接收V_DD(通常为5V或3.3V电压)。而NMOS晶体管Q_N以源极经由一电流计34耦接至接地电位GND。PMOS晶体管Q_P与NMOS晶体管Q_N栅极耦接成一输入端，PMOS晶体管Q_P与NMOS晶体管Q_N漏极耦接成一输出端。而CMOS反相器30以输入端连接至一功能产生器(function generator)36。

根据本发明，利用功能产生器36输出三角波信号至CMOS反相器30输入端处，此三角波信号全幅(full swing)可以是介于0至V_DD间范围。由三角波信号特性，会使CMOS反相器30产生瞬时电流。而与CMOS反相器30串接的电流计34，适可用以测量此一瞬时电流。而电流计34所测得瞬时电流平均值，可以下式表之：

I_{dd (average)} = \frac{&Integral; I_{dd} (t) dt}{&Integral; dt} \approx \frac{k_{N}}{2} {(V_{M} - V_{TN})}^{3} - - - (2)

此时，所测得瞬时电流平均值表为I_dd1(average)。

然后，对图3CMOS反相器30施行热载流子应力(stressing)，即如第4图所示。图标中，是将PMOS晶体管Q_P之源极浮接，NMOS晶体管Q_N源极直接连接至接地电位GND，并施加电压V_D至CMOS反相器30输出端、电压V_G至CMOS反相器30输入端。此举用以令NMOS晶体管Q_N发生热载流子效应。

接着，再将经过热载流子应力处理后CMOS反相器30，如同图3，将PMOS晶体管Q_P源极连接至电源供应器32，NMOS晶体管Q_N源极连接至电流计34，并将CMOS反相器30的输入端耦接至功能产生器36等。而由电源供应器32提供V_DD直流电压，由功能产生器36提供三角波信号，再由电流计34测量瞬时电流平均值。此时，所测得瞬时电流平均值表为I_dd2(average)。

最后，比较热载流子应力处理前后瞬时电流平均值I_dd1(average)与I_dd2(average)。由第(2)式可知，瞬时电流平均值的改变是源自NMOS晶体管Q_N门限电压V_TN变化。通常，经过热载流子应力处理后NMOS晶体管Q_N，其临门限电压V_TN会增加，而导致I_dd2(average)＜I_dd1(average)现象。因此，仅需由I_dd2(average)与I_dd1(average)间之差异，便可以精确地推测出CMOS反相器30遭受信道热载流子效应破坏的程度。

据此，本发明方法仅需利用简单的单一CMOS反相器，并配合电源供应器32、电流计34、功能产生器36等相当普及的测量工具，便可以精确地测量评估出信道热载流子效应破坏的程度，不失为一种兼具简单、可靠、低成本等优点信道热载流子效应测量方法。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟知本领域技术者，在不脱离本发明精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求并结合说明书与附图所界定者为准。

Claims

1.一种信道热载流子效应测量评估装置，适用于一CMOS反相器，该CMOS反相器具有一输入端与一输出端；该装置包括：

一电源供应器，耦接至该CMOS反相器，提供一电源电压；

一功能产生器，耦接至该CMOS反相器，提供一三角波信号至该CMOS反相器的该输入端；以及

一电流计，与该CMOS反相器串接，是于该CMOS反相器经过热载流子效应应力处理前后，以该电流计测量该CMOS反相器瞬时电流。

2.如权利要求1所述信道热载流子效应测量评估装置，其中，该CMOS反相器包含串接之一NMOS晶体管与一PMOS晶体管。

3.如权利要求2所述之该信道热载流子效应测量评估装置，其中，该PMOS晶体管以源极接收该电源电压。

4.如权利要求2所述信道热载流子效应测量评估装置，其中，该NMOS晶体管以源极耦接该电流计。

5.如权利要求2所述信道热载流子效应测量评估装置，其中，该PMOS晶体管与该NMOS晶体管同以栅极接收该三角波信号。

6.如权利要求2所述信道热载流子效应测量评估装置，其中，当于该热载流子效应应力处理时，该PMOS晶体管源极为浮接状态。

7.如权利要求1所述信道热载流子效应测量评估装置，其中，当于该热载流子效应应力处理时，该CMOS反相器以该输入端耦接一第一应力电压、以该输出端耦接该一第二应力电压。

8.一种信道热载流子效应测量评估方法，包括下列步骤：

提供一CMOS反相器，该CMOS反相器具有一输入端与一输出端；

提供一电源电压予该CMOS反相器，提供一三角波信号至该CMOS反相器的该输入端；

测量该CMOS反相器第一瞬时电流；

对该CMOS反相器施行热载流子效应应力处理；

提供该电源电压予该CMOS反相器，提供该三角波信号至该CMOS反相器该输入端；

测量该CMOS反相器第二瞬时电流；以及

比较该第一瞬时电流与该第二瞬时电流差异。

9.如权利要求8所述信道热载流子效应测量评估方法，尚包括调整该CMOS反相器转换电压。

10.如权利要求8所述信道热载流子效应测量评估方法，其中，该CMOS反相器包含串接一NMOS晶体管与一PMOS晶体管。

11.如权利要求10所述信道热载流子效应测量评估方法，其中，该PMOS晶体管以源极接收该电源电压。

12.如权利要求10所述信道热载流子效应测量评估方法，其中，该PMOS晶体管与该NMOS晶体管同以栅极接收该三角波信号。

13.如权利要求10所述信道热载流子效应测量评估方法，其中，当于该热载流子效应应力处理时，该PMOS晶体管源极为浮接状态。

14.如权利要求8所述信道热载流子效应测量评估方法，其中，当于该热载流子效应应力处理时，该CMOS反相器以该输入端耦接一第一应力电压、以该输出端耦接该一第二应力电压。