DE60209620T2

DE60209620T2 - Halbleitervorrichtung zum Ermitteln und Einstellen einer Schwellwertveränderung

Info

Publication number: DE60209620T2
Application number: DE60209620T
Authority: DE
Inventors: Rafael Nadal Guardia
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: EP1424615B1; DE60209620D1; EP1424615A1; US20040135142A1; US6965247B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Halbleitervorrichtung, und speziell auf eine Halbleitervorrichtung zum Ermitteln bzw. Messen und Einstellen einer Spannungsschwellwertveränderung, einer integrierten Halbleitervorrichtung, welche in Submikrometer-Technologie implementiert ist, d.h. Transistoren, und ein Verfahren hierzu.
Neueste Messungen, welche an NMOS- und PMOS-Transistoren durchgeführt wurden, welche in Submikrometer-Technologie implementiert sind (speziell bei einer Kanallänge kleiner 130 nm), haben eine große Abhängigkeit von den Spannungsschwellwerten der Transistoren von der Kanallänge gezeigt. Transistoren, welche in Submikrometer-Technologie realisiert sind, liefern eine Kanallänge unterhalb von 1 μm. 1 zeigt einen Querschnitt eines NMOS-Transistors in Submikrometer-Technologie entsprechend dem Stand der Technik auf einem Substrat oder Wafer 6. Der Abstand zwischen der n-dotierten Quelle 1 und dem -Drain 2 unter dem Gate 3 in einer p-dotierten Wanne 5 wird als die Kanallänge 4 bezeichnet. Eine kleine Kanallängenänderung, welche durch Toleranzen beim Herstellungsprozess verursacht sein kann, kann den Spannungsschwellwert ungefähr um 80 mV verschieben. 2 zeigt den qualitativen Verlauf des Spannungsschwellwertes in Abhängigkeit von der Kanallänge L in logarithmischem Maßstab. Wenn Transistoren mit minimaler Länge mit niedrigen Spannungsschwellwerten (V_t) implementiert sind (mit V_t im Bereich von 0 mV bis 400 mV), hat eine kleine Änderung der Kanallänge einen großen Einfluss auf den Spannungsschwellwert (siehe 2). Dieser Effekt wird als Kurz-Kanal-Effekt bezeichnet. Deshalb hat die Verschiebung des Spannungsschwellwertes aufgrund der Unsicherheit, welche durch die Kanallänge eingebracht wird, einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung. Außerdem ist der Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Schaltungen, welche mit diesen Transistoren geliefert werden, bezüglich der Statik und der Dynamik stark beeinträchtigt. Für digitale Schaltungen erhöht sich der statische und dynamische Leistungsverbrauch, und die Leistungsfähigkeit bezüglich der Geschwindigkeit wird auch beeinträchtigt. Mit Bezug auf diese Probleme ist es notwendig, jegliche Art von Strategie zu implementieren, welche in der Lage ist, eine Veränderung im Spannungsschwellwert V_t zu bestimmen, welche durch Veränderungen in der Kanallänge von Vorrichtungen mit minimaler Länge (NMOS- und PMOS-Transistoren) verursacht wird.
Neben der Verschiebung von V_t aufgrund der Veränderungen der Kanallänge L, kann V_t sich auch aufgrund der Dotierdosis ändern, welche benutzt wird, um den Kanal oder eine Änderung in der Dicke des Gate-Oxids zu implantieren. Diese beiden Technologieparameter, die Dotierdosis und die Dicke des Oxids, werden den Status der Transistoren bestimmen. Drei unterschiedliche Zustände werden platziert, "schnell", "nominal" und "langsam", entsprechend zu jeweils einem kleinen, einem nominellen und einem hohen Wert von V_t. Kleine Kanaleffekte können in einem dieser Zustände der Technologie auftreten.
Es wurde über verschiedene Strategien berichtet, eine bestimmte Wannenpotenzialvorspannung bei digitalen Schaltungen zu etablieren, wenn diese Vorspannung notwendig ist. Gut bekannte Strategien basieren auf Verzögerungsleitungen und Stromunterbrechungsdetektierung. Verzögerungsleitungen werden durch mehrere Transistoren in Reihe gebildet. Deshalb ändert eine Veränderung des V_t-Wertes der Transistoren die eingeführte Verzögerung. In Abhängigkeit der eingeführten Verzögerung wird die Wannenpotenzialvorspannung angelegt. Die Strategie, welche auf Verzögerungsleitungen basiert, kann auch durch Benutzen kritischer Pfadnachbildungen realisiert werden. In der US 6,091,283 wird eine Abstimmschaltung mit Unterschwellwertverlust beschrieben, welche darauf zielt, Schwellwertveränderungen, die durch den Prozess, die Aktivität und die Temperatur in der Vorrichtung induziert sind, in einer Halbleiterschaltung zu kompensieren, welche einen Tran sistor besitzt, wobei ein Potenzial des Gates, in welchem der Transistor auf einem vorher eingestellten unterschwelligen Potenzial gehalten wird, und ein Kanalstrom des Kanalbereichs mit einem Referenzstrom verglichen wird, um ein Vergleichsergebnis zu erhalten. Ein Vorspannungspotenzial eines Substrates wird entsprechend dem Vergleichsergebnis eingestellt, um den unterschwelligen Strom bei dem Referenzstrom zu halten. Der Referenzstrom wird über eine getrennte Referenzquelle geliefert. Die im Test befindliche Vorrichtung bzw. das Testobjekt (DUT) ist in einer Schaltung konfiguriert, in welcher der Strom mit dem isolierten Referenzstrom verglichen wird. Das vorgeschlagene Verfahren liefert nur eine Lösung für die Kompensation von Veränderungen in den Charakteristika der Vorrichtung bezüglich des Prozesses und der Temperatur.
Eine andere sehr bekannte Strategie basiert auf dem Detektieren des Ausschaltstromes. Jedoch erfordern die meisten dieser Strategien das Gebrauchen von Referenzvorrichtungen, um ein festes Verhältnis zwischen dem Strom in der Vorrichtung, welche getestet wird, und dem Strom in der Referenzvorrichtung zu etablieren.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu liefern, welches in der Lage ist, die Veränderung von V_t aufgrund kurzer Kanaleffekte oder aufgrund einer Veränderung auf den schnellen Zustand der Technologie hin zu detektieren, wobei keine Referenzschaltung mit stabilen und sehr gut bekannten Vorrichtungen notwendig ist. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu liefern, um den V_t-Wert mit Hilfe einer Wannenpotenzialsteuerung einzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Halbleitervorrichtung gelöst, welche aufweist: eine Testschaltung, welche wenigstens einen Transistor als ein Testobjekt bzw. Prüfling (DUT) enthält, welches einen Drain, eine Quelle, ein Gate und einen Kanalbereich unter dem Gate zwischen dem Drain und der Quelle in einer Wanne mit einer kurzen Kanallänge besitzt, eine Referenzschaltung, welche einen festgelegten Referenzspannungswert liefert, eine Vorspannungsschaltung, welche eine Vorspannung an das Gate der Testobjekte (DUTs) legt, eine Stromschaltung, welche einen festen Strom an den Drain des Testobjekts (DUT) liefert, eine Vergleichsschaltung, welche die Spannung an dem Drain der Testschaltung mit dem Ausgangssignal der Referenzschaltung vergleicht und ein Vergleichsergebnis liefert, einen Wannenpotenzialgenerator, welcher ein Wannenpotenzial an einen Wannenkontakt des Testobjekts (DUT) liefert. Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
Das neue Verfahren basiert auf dem Verwenden eines DUT oder eines Satzes von Prüflingen, welche parallel miteinander verbunden sind, mit minimaler Länge implementiert, welche mit einer Referenzschaltung verglichen werden, welche eine feste Spannung liefert. Die Referenzschaltung wird vorteilhaft über eine Spannungsquelle mit einer konstanten Ausgangsspannung realisiert. Im Gegensatz zu bekannten Halbleitervorrichtungen wird der Prüfling (oder ein Satz von parallelen DUTs) nicht mit einer Referenzvorrichtung verglichen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das Steuern des Wannenpotenzials nicht mit Hilfe des Vergleichens des DUT mit einer Referenzvorrichtung durchgeführt, so dass es nicht notwendig ist, hochstabile und sehr gut bekannte Referenzvorrichtungen zu besitzen. In der vorgeschlagenen Erfindung sind keine Referenzvorrichtungen erforderlich, jedoch wird einfach eine feste Spannung als Referenz für jegliche Art von Betriebstemperatur und Betriebszuständen hergenommen. Eine geeignete Gestaltung der Schaltung in der vorgeschlagenen Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung gestattet das Detektieren der Veränderung von V_t entsprechend nicht nur kurzen Kanaleffekten, sondern auch gegenüber einem schnellen Zustand des Transistors. Alle Veränderungen von V_t werden detektiert, wo immer sie ihren Ursprung haben.
Einige bevorzugte und vorteilhafte Entwicklungen der Halbleitervorrichtung entsprechend der Erfindung werden in den angehängten Ansprüchen aufgeführt. Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden keine Ausschalt- oder Sättigungsströme gemessen. Aber der Spannungsabfall V_ds des Prüflings (oder eines Satzes von Prüflingen, welche parallel miteinander verbunden sind) wird gemessen, wenn ein fester Strom in den Drain des DUT durch den Schaltungsstrom injiziert wird. Das DUT wird als ein Schalter betrieben, in welchen die Eingangsspannung das Wannenpotenzial ist und die Gate-zu-Quell-Spannung fixiert ist. In der Halbleitervorrichtung der vorgeschlagenen Erfindung wird die Vorspannung, welche an das Gate des DUT geliefert wird, durch eine Vorspannungsschaltung geliefert, wobei das Gate vorzugsweise mit einem Wert nahe dem Spannungsschwellwert des Transistors geliefert wird. Wenn sich V_t verändert, kann der Transistor schalten, da die Eingangsspannung an die Wanne geliefert wird. Wenn V_t nicht genug abfällt oder ansteigt, verändert sich die angelegte Spannung in der Wanne V_t, jedoch nicht ausreichend, um es dem Transistor zu gestatten, den Operationsbereich vom Ausschalten zu Sättigen zu verändern, und demnach wird keine Veränderung im Ausgangssignal der Testschaltung durch den Komparator detektiert. Außerdem wird die Veränderung in dem äquivalenten Widerstand des Transistors aufgrund einer Veränderung im Betriebsablauf leicht detektiert, wobei der Spannungsabfall aufgrund des festen Stromes, welcher in dem Drain des DUT injiziert ist, überwacht wird. Die Vorspannungsschaltung weist vorzugsweise eine Bandabstands-Referenzschaltung auf, welche eine konstante Spannung liefert.
Vorteilhafterweise weist die Stromschaltung eine Stromquellen- und eine Stromspiegelschaltung auf, welche zwischen der Stromquelle und dem Drain-Kontakt des DUT angeschlossen sind. Mit dem temperaturunabhängigen Stromspiegel zwischen der Stromquelle und dem Drain-Kontakt des DUT wird der Strom, welcher durch die Quelle geliefert wird, in den DUT kopiert.
Das Einstellen der Schwellwertspannung wird durch Vergleichen der Ausgangsspannung der Testschaltung und der Referenzspannung durchgeführt. Wenn die Ausgangsspannung der Testschaltung höher als die Ausgangsspannung der Referenzschaltung ist, wird das Wannenpotenzial des DUT nicht eingestellt. Wenn die Ausgangsspannung der Testschaltung kleiner ist, wird das Wannenpotenzial für die NMOS-DUTs erniedrigt und für die PMOS-DUTs erhöht. Das Wannenpotenzial wird bis zu dem Punkt hin verändert, bei welchem das Ausgangssignal der Testschaltung gleich dem Ausgangssignal der Referenzschaltung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Wannenpotenzialgenerator zum Erzeugen eines Wannenpotenzials geliefert, wobei der Wannenpotenzialgenerator mit dem Ausgang der Komparatorschaltung gekoppelt ist, welche das Vergleichsergebnis als ein Eingangssignal empfängt, und mit einem Wannenkontakt des DUT für das Anlegen des Wannenpotenzials als ein Ausgangssignal. Der Wannenpotenzialgenerator gestattet es, dass die Halbleitervorrichtung entsprechend der Erfindung den Stromverbrauch durch Einstellen des Wannenpotenzials auf einen gewünschten Wert steuert. Vorzugsweise weist der Wannenpotenzialgenerator eine Ladungspumpe als eine Spannungsquelle auf. Dadurch legt der Wannenpotenzialgenerator das Wannenpotenzial an den Wannenkontakt des DUT an, wenn das empfangene Vergleichsergebnis anzeigt, dass die Ausgangsspannung der Testschaltung kleiner als die Ausgangsspannung der Referenzschaltung ist, vorzugsweise bis hinauf zu dem Punkt, bei welchem das empfangene Vergleichsergebnis anzeigt, dass die Ausgangsspannung der Testschaltung gleich der Ausgangsspannung der Referenzschaltung ist.
In einer weiteren Entwicklung der Halbleitervorrichtung der Erfindung weist der Wannenpotenzialgenerator eine Spannungsquelle zum Liefern eines festen Potenzials an die Wanne des DUT auf, und die Wanne von weiteren Vorrichtungen einer digitalen Schaltung, wobei die digitale Schaltung in der Halbleitervorrichtung integriert ist.
Wenn die Online-Detektierung der V_t-Variation in einem Substrat mit anderen digitalen Schaltungen integriert ist, kann das Einstellen des Wannenpotenzials für alle Vorrichtungen in jeder Schaltung durchgeführt werden. Wenn man so verfährt, kann der Stromverbrauch während des dynamischen Betriebs reduziert werden, ohne Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der Schaltungen. Die Leistungsfähigkeit wird nicht herabgesetzt, da die Schaltungen so ausgelegt sind, dass sie richtig im nominellen Zustand des Transistors arbeiten. Wenn ein Wannenpotenzial angelegt wird, erhöht sich der V_t-Wert, so dass das Einstellen dazu führt, dass der DUT vom schnellen auf den nominellen Status verschoben wird. Da sich V_t der anderen Vorrichtungen auch erhöht, besitzen die anderen digitalen Schaltungen weniger Verluststrom im statischen und dynamischen Betrieb. Es ist davon auszugehen, dass der Wannenpotenzialgenerator auf dem gleichen Volumen oder Substrat wie die Testschaltung implementiert werden kann, er kann jedoch auch eine externe Schaltung sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Detektieren von Veränderungen des Spannungsschwellwertes V_t in einer Halbleitervorrichtung in Submikrometer-Technologie gelöst, welche aufweist: eine Testschaltung, welche wenigstens einen Transistor als einen Prüfling (DUT) enthält, welcher einen Drain, eine Quelle, ein Gate und einen Kanalbereich unter dem Gate zwischen dem Drain und der Quelle in einer Wanne mit einer kurzen Kanallänge besitzt. Das Verfahren weist die Schritte auf: Liefern eines festen Referenzspannungswertes durch eine Referenzschaltung, Anlegen einer Vorspannung an das Gate des Prüflings (DUT) durch eine Vorspannungsschaltung, Liefern eines festen Stromes an den Drain des Prüflings (DUT) über eine Stromschaltung und Vergleichen der Spannung an dem Drain der Testschaltung mit dem Ausgangssignal der Referenzschaltung und Liefern eines Vergleichsergebnisses durch eine Komparatorschaltung.
Ohne den Umfang des Schutzes zu begrenzen, wird eine bevorzugte Ausführungsform der allgemeinen Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erklärt, welche zeigen:
1 einen Querschnitt eines MOS-Transistors entsprechend dem Stand der Technik,
2 ein Diagramm des qualitativen Verlaufs des Spannungsschwellwertes in Abhängigkeit von der Kanallänge,
3 ein Blockdiagramm des vorgeschlagenen Detektierverfahrens für die Veränderungen des Spannungsschwellwertes aufgrund kurzer Kanaleffekte, wobei die Konfiguration auf NMOS-DUTs basiert,
4 ein Blockdiagramm des vorgeschlagenen Leckstromsteuerverfahrens, wobei die Konfiguration auf NMOS-DUTs basiert,
5 ein Blockdiagramm der Transistorkonfiguration, wobei ein Kaskadenstromspiegel benutzt wird, um den Strom in den DUT zu injizieren.
6 ein Diagramm, welches die Spannungswerte am Eingang des Komparators zeigt, wenn eine temperaturabhängigen Stromquelle benutzt wird, um den Stromspiegel vorzuspannen,
7 ein Diagramm, welches die Spannungswerte am Eingang des Komparators zeigt, wenn ein bipolarer Transistor benutzt wird, um den injizierten Strom zu erzeugen,
8 ein Diagramm, welches die Spannungswerte am Eingang des Komparators zeigt, wenn eine Diode benutzt wird, um den injizierten Storm zu erzeugen, und
9 ein Blockschaltbild, welches eine Regelanordnung zeigt, um automatisch den V_t-Wert einzustellen.
Wie in 3 gezeigt wird, sind drei konstitutive Schaltblöcke zum Detektieren der V_t-Wert-Änderungen erforderlich. Ein erster Schaltblock mit einem Testobjekt bzw. Prüfling (DUT), ein zweiter Schaltblock, welcher einen festen Referenzspannungswert liefert, und ein dritter Schaltblock mit einem Komparator zum Vergleichen der Ausgangssignale der Testschaltung und der Referenzschaltung. Der Komparator liefert ein Vergleichsergebnis an seinem Ausgang. Der Gate-Kontakt des DUT in der Testschaltung ist mit einer Vorspannungsschaltung des DUT gekoppelt, welcher eine Vorspannung liefert. Der Drain-Kontakt ist mit der Stromschaltung gekoppelt, in welcher eine Stromquelle einen Strom liefert, welcher in den Prüfling injiziert wird. Die Schaltungen sind auf einem Wafer integriert.
Entsprechend der vorliegenden Halbleitervorrichtung wird der DUT als ein Schalter betrieben, welcher eine Eingangsspannung, das Wannenpotenzial, besitzt. Das Potenzial am Gate ist auf einen Wert nahe dem Schwellwert des Transistors (DUT) durch die Vorspannung des DUT festgelegt. Wenn sich der V_t ändert, kann der Transistor schalten, da die Eingangsspannung an der Wanne anliegt. Wenn V_t nicht genügend abfällt oder sich erhöht, ändert die angelegte Spannung in der Wanne V_t nur in kleinem Umfang, aber nicht genug, um zu gestatten, dass der Transistor den Betriebsbereich ändert. Dadurch wird keine Veränderung im Ausgangssignal der Testschaltung durch den Komparator detektiert. Außerdem wird die Veränderung im Wert des äquivalenten Widerstands, welcher den Transistor repräsentiert, ausgelöst durch eine Veränderung in der Betriebsart, leicht durch das Überwachen des Spannungsabfalls aufgrund des injizierten festen Stromes detektiert.
Um den Stromverbrauch der Schaltung zu steuern, muss eine Veränderung im V_t-Wert detektiert werden und durch ein System eingestellt werden, welches in der Lage ist, das Wannenpotenzial auf den gewünschten Wert einzustellen, wie dies in 4 gezeigt wird. Das Wannenpotenzial kann über eine La dungspumpe in einem Wannenpotenzialgenerator z.B. angelegt werden. Der Wannenpotenzialgenerator empfängt als Eingangssignal das Vergleichsergebnis, welches durch den Komparator geliefert wird, und wird an einen Wannenkontakt des Prüflings gekoppelt. Das Einstellen der Schwellwertspannung wird durch Vergleichen der Ausgangsspannung der Testschaltung mit dem festen Referenzspannungswert ausgeführt. Wenn die Ausgangsspannung der Testschaltung höher als der feste Referenzspannungswert ist, wird das Wannenpotenzial des DUT nicht eingestellt. Wenn die Ausgangsspannung der Testschaltung kleiner ist, wird das Wannenpotenzial für NMOS-DUTs erniedrigt und für PMOS-DUTs erhöht. Das Wannenpotenzial wird bis zu dem Punkt hin verändert, bei welchem das Ausgangssignal der Testschaltung gleich dem Ausgangssignal der Referenzschaltung ist. Der Komparator wird den Wannenpotenzialgenerator einschalten oder ausschalten. Das erzeugte Wannenpotenzial wird nicht nur an dem Wannenkontakt des DUT angelegt, sondern auch an den Wannenkontakten der anderen Digitalschaltungen, die in dem gleichen Substrat integriert sind.
Wie in 5 dargestellt wird, weist die Halbleitervorrichtung, in welcher der Prüfling abgetastet wird, eine temperaturabhängige Stromquelle und einen Stromspiegel auf, um den Strom in dem Drain-Kontakt des DUT zu injizieren. Die Vorrichtung weist ferner eine Schaltung auf, um die Betriebsspannung am Gate des DUT (Vorspannung des DUT) festzulegen, wobei diese Schaltung über eine Bandabstandsreferenz realisiert wird. Die Vorrichtung weist ferner einen Komparator und eine festgelegte Referenzspannung auf, welche an den Komparator anzulegen ist. Es ist auch wichtig zu bemerken, dass die Temperaturabhängigkeit des DUT im Gleichgewicht gehalten werden kann, indem ein Strom mit entgegengesetzter Temperaturflanke benutzt wird. Dann würde der Strom mit einer PTAT- und einer V_be-Schaltung erzeugt werden, derartige Schaltungen werden gewöhnlich bei Temperatursensoren und bei Bandabstandsreferenzen benutzt. Die Kombination des Ausgangssignals der PTAT-Schaltung und des Ausgangssignals der V_be-Schaltung würde es gestatten, die gewünschte Neigung des Stromes, welcher in den DUT zu injizieren ist, zu erhalten. Die PTAT-Schaltung liefert einen Strom proportional zur absoluten Temperatur, und die V_be-Schaltung liefert ein Ausgangssignal proportional zum Spannungsabfall zwischen der Basis und dem Emitter eines bipolaren Transistors. Wie aus 5 zu ersehen ist, würde der erzeugte Strom an den Eingang des Stromspiegels an der Stelle der idealen Stromquelle angeschlossen. Der Eingang der Schaltung würde der Anschluss sein, welcher der Wannenverbindung des DUT entspricht.
Die vorgeschlagene Erfindung nutzt ein Vorspannungssignal des DUT, um einen Gate-Quell-Spannungsabfall zu liefern, welcher ein wenig kleiner als der Spannungsschwellwert für den nominellen und den langsamen Zustand des Transistors ist. Indem so verfahren wird, arbeitet der DUT im langsamen und nominellen Zustand im Abschaltbereich. Wenn V_t sich ändert, und kleinere Werte aufgrund von Kurzkanaleffekten oder dem schnellen Status erreicht, arbeitet der DUT im Sättigungsbereich, da die Vorspannung am Gate des Transistors größer als der neue Wert von V_t ist. In diesem Szenario ändert sich der Widerstand, welcher durch den Transistor in den Strompfad eingeführt ist, und deshalb ändert sich auch der Ausgang der Schaltung an dem Drain, welcher mit dem Eingang des Komparators verbunden ist. Wenn man eine Vorspannung an der Wanne anlegt, wird V_t auf den gewünschten Wert hin verschoben, und der Transistor wird gezwungen, wieder im Abschaltsystem zu arbeiten.
Die Simulationsergebnisse, welche in 6 dargestellt werden, zeigen die Eingangssignale des Komparators in Abhängigkeit von den Wannenvorspannungen. Es kann gesehen werden, dass, wenn ein fester Referenzspannungswert von 600 mV benutzt wird, um zu bestimmen, ob der Spannungsschwellwert sich geändert hat, nur die Zustände, bei denen die NMOS-DUT im schnellen Zustand ist, detektiert werden. In den anderen Fällen ist das Ausgangssignal der Testschaltung höher als die Referenzspannung, Es ist interessant zu bemerken, dass die Schaltung gegenüber dem Zustand der PMOS-Transistoren empfindlich ist, welche benutzt werden, um den Stromspiegel zu implementieren. Jedoch ist diese Empfindlichkeit gering genug, um ein Detektieren des schnellen Zustands des DUT zuzulassen. Die Temperaturstabilität wurde ebenfalls geprüft, und die erforderliche Flanke in der Temperatur, um die Abhängigkeit des DUT auszugleichen, wurde auch erreicht und injiziert.
7 stellt die Simulationsergebnisse einer Konfiguration dar, bei welcher der Strom mit einem bipolaren Transistor erzeugt wird. Derartige Konfigurationen gestatten ein Kompensieren der Temperaturabhängigkeit des DUT. Dieser Effekt beruht auf dem umgekehrten Vorzeichen im Temperaturkoeffizienten zwischen beiden Vorrichtungen. Jedoch ist es notwendig, eine Startschaltung zu benutzen, um richtig das Erzeugen des injizierten Stromes zu starten. Das Detektieren wird auch erreicht, wenn der DUT bei schnellen Zuständen arbeitet. Es wurde auch geprüft, dass diese Lösung ein gutes Temperaturverhalten zulässt.
Berücksichtigt man auch, dass der entsprechende Temperaturkoeffizient für die Dioden das umgekehrte Vorzeichen gegenüber dem DUT hat, ist auch eine Konfiguration möglich, welche eine Diode benutzt, um den injizierten Strom zu erzeugen. Nichtsdestoweniger ist auch eine Startschaltung notwendig, um die Erzeugung des Stroms zu starten. Wie bei den vorausgehenden Beispielen kann das Detektieren mit einer Referenzspannung von 600 mV erreicht werden, siehe 8. Außerdem kann auch ein gutes Temperaturverhalten erhalten werden.
Der Regelbetrieb wird ausgeführt, indem der Ausgang des Komparators mit dem Chipfreigabe-Eingangssignal eines negativen Spannungsgenerators (im Falle von NMOS-DUTs) verbunden wird. Typischerweise kann dieser negative Spannungsgenerator eine Ladungspumpe sein. Der Ausgang des Generators wird direkt an den Wannenkontakt des DUT angeschlossen, wie dies in 9 gezeigt wird.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Erfindung ist es möglich, die Schwellwertspannung des Prüflings (oder eines Satzes von Prüflingen, welche parallel angeschlossen sind) einzustellen, indem eine festgelegte Spannungsreferenz für eine beliebige Art von Arbeitstemperaturen oder Betriebszuständen benutzt wird. Das Wannenpotenzial für den Prüfling wird auf den Punkt hin verschoben, bei welchem die abgetastete V_ds gleich dem Referenzspannungswert ist. Das Benutzen einer Schaltung, wie z.B. einer Ladungspumpe, würde es gestatten, die erforderliche Vorspannung zu erzeugen.

Claims

Halbleitervorrichtung, welche aufweist – eine Testschaltung, welche wenigstens einen Transistor als ein Testobjekt bzw. einen Prüfling (DUT) enthält, welcher einen Drain (2), eine Quelle (1), ein Gate (3) und einen Kanalbereich (4) unter dem Gate (3) zwischen dem Drain und der Quelle in einer Wanne (5) mit einer kurzen Kanallänge besitzt, – eine Referenzschaltung, welche einen festgelegten Referenzspannungswert liefert, – eine Vorspannungsschaltung, welche eine Vorspannung an das Gate (3) des Prüflings (DUT) anlegt, – eine Stromschaltung, welche einen festen Strom an den Drain (2) des Prüflings (DUT) liefert, – eine Komparatorschaltung, welche die Spannung an dem Drain (2) der Testschaltung mit dem Ausgangssignal der Referenzschaltung vergleicht und ein Vergleichsergebnis liefert, – einen Wannenpotenzialgenerator, welcher ein Wannenpotenzial an den Wannenkontakt des Prüflings (DUT) anlegt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an das Gate (3) des DUT angelegte Vorspannung einen Wert besitzt, welcher nahe an dem Spannungsschwellwert des DUT ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsschaltung eine Bandabstands-Referenzschaltung aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschaltung eine Stromquelle und eine Stromspiegelschaltung aufweist, welche zwischen dem Stromquellen- und dem Drain-(2-)Kontakt des DUT angeschlossen ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wannenpotenzialgenerator zum Erzeugen eines Wannenpotenzials an den Ausgang der Komparatorschaltung gekoppelt ist, welche das Vergleichsergebnis als ein Eingangssignal empfängt, und an einen Wannenkontakt des Prüflings (DUT) gekoppelt ist, um das Wannenpotenzial als ein Ausgangssignal anzulegen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wannenpotenzialgenerator das Wannenpotenzial an dem Wannenkontakt des DUT anlegt, wenn das empfangene Vergleichsergebnis anzeigt, dass die Ausgangsspannung der Testschaltung kleiner ist als die Ausgangsspannung der Referenzschaltung.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wannenpotenzialgenerator ein Wannenpotenzial bis hinauf zu dem Punkt liefert, bei welchem das empfangene Vergleichsergebnis anzeigt, dass die Ausgangsspannung der Testschaltung gleich der Ausgangsspannung der Referenzschaltung ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wannenpotenzialgenerator eine Spannungsquelle zum Liefern eines festen Potenzials an die Wanne des DUT und an die Wanne von weiteren Vorrichtungen einer digitalen Schaltung aufweist, wobei die digitale Schaltung in die Halbleitervorrichtung integriert ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wannenpotenzialsgenerator eine Ladungspumpe als Spannungsquelle aufweist.
Verfahren zum Detektieren von Veränderungen der Schwellwertspannung V_t in einer Halbleitervorrichtung in Submikrometer-Technologie, welche aufweist: eine Testschaltung, welche wenigstens einen Transistor als einen Prüfling (DUT) enthält, welcher einen Drain (2), eine Quelle (1), ein Gate (3) und einen Kanalbereich (4) unter dem Gate zwischen dem Drain und der Quelle in einer Wanne (6) mit einer kurzen Kanallänge besitzt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Liefern eines festen Referenzspannungswertes durch eine Referenzschaltung, – Anlegen einer Vorspannung an dem Gate (3) des Prüflings (DUT) durch eine Vorspannungsschaltung, – Liefern eines festen Stromes an den Drain (2) des Prüflings (DUT) durch eine Stromschaltung, – Vergleichen der Spannung an dem Drain (2) der Testschaltung mit dem Ausgangssignal der Referenzschaltung und Liefern eines Vergleichsergebnisses durch eine Komparatorschaltung, – Anlegen eines Wannenpotenzials an den Wannenkontakt des Prüflings (DUT) durch einen Wannenpotenzialgenerator.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, Liefern eines Wannenpotenzials an der Wanne des Prüflings, wenn die Ausgangsspannung der Testschaltung kleiner als die Ausgangsspannung der Referenzschaltung ist, bis die Ausgangsspannung der Testschaltung gleich der Ausgangsspannung der Referenzschaltung ist.