TWI405991B - 製程偏移偵測裝置與製程偏移偵測方法 - Google Patents

製程偏移偵測裝置與製程偏移偵測方法 Download PDF

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Description

製程偏移偵測裝置與製程偏移偵測方法
本發明是有關於一種積體電路，且特別是有關於一種製程偏移偵測裝置與製程偏移偵測方法。
隨著電子科技的進步，電子元件的操作電壓準位越來越低。操作電壓準位的降低，意味著電子元件對製程偏移的容忍度越低。例如，電阻式記憶體(resistance random access memory,RRAM)元件、相變化記憶體(phase change memory,PCM)或是其他新世代非揮發性記憶體(non-volatile memory)，其操作電壓準位(或偏壓準位)都很低。這些記憶體元件在進行讀取操作時，為了避免發生讀取干擾(read disturbance)，讀取過程必須將記憶體元件限制於低偏壓下，以確保儲存資料不被破壞。
然而，在半導體製程中經常發生製程變異的情況。由於氧化層厚度或是離子參雜濃度不一致，導致電晶體驅動電流和設計值不相同，此情況在先進製程中更為嚴重。若發生製程變異，電晶體驅動電流的誤差會使這些非揮發性記憶體元件的偏壓電位發生偏移，故可能導致良率下降或是效能變差。因此，必須加入製程變異偵測與補償機制以提高讀取偏壓之穩定性。
本發明提供一種使用於非揮發性記憶體的製程偏移偵測裝置與製程偏移偵測方法，可偵測製程變異並產生對應的補償信號給其他電路(例如補償電路)。因此，補償電路可以依據補償信號而對應地調整電子元件的操作電壓準位(或偏壓準位)。
本發明實施例提出一種使用於非揮發性記憶體的製程偏移偵測裝置，包括製程偏移偵測器以及補償信號產生器。製程偏移偵測器包括第一製程偏移偵測元件、第二製程偏移偵測元件以及電流比較器。第一製程偏移偵測元件的通道為第一導電型，第二製程偏移偵測元件的通道為第二導電型，其中所述第一導電型與所述第二導電型不相同。電流比較器連接至第一與第二製程偏移偵測元件，以比較二者的電流差異，並輸出電流比較結果。補償信號產生器連接至製程偏移偵測器。依據該電流比較結果，補償信號產生器產生對應的補償信號。
本發明實施例提出一種使用於非揮發性記憶體的製程偏移偵測方法，包括：提供第一製程偏移偵測元件與第二製程偏移偵測元件，其中第一製程偏移偵測元件的通道為第一導電型，第二製程偏移偵測元件的通道為第二導電型，而所述第一導電型與所述第二導電型不相同；比較第一製程偏移偵測元件與第二製程偏移偵測元件的電流差異，以獲得電流比較結果；以及依據該電流比較結果產生對應的補償信號。
基於上述，本發明實施例藉由比較不同導電型的兩個製程偏移偵測元件的電流差異來偵測這兩個元件的相對製程變異量，並依據電流比較結果產生對應的補償信號。積體電路可以依據此補償信號調整電壓準位。以非揮發性記憶體之位元線電壓箝制器(bit-line voltage clamper)為例，此補償信號可用來調整該位元線電壓箝制器之虛擬電源電壓準位，而實現位元線偏壓電位的補償控制。因此，縱使發生製程變異，非揮發性記憶體之讀取操作可以依據補償信號來改善位元線偏壓電位的漂移問題。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明實施例說明一種製程偏移偵測裝置100的功能模塊示意圖。使用於非揮發性記憶體的製程偏移偵測裝置100包括製程偏移偵測器110以及補償信號產生器120。製程偏移偵測器110包括電流比較器111、第一製程偏移偵測元件112以及第二製程偏移偵測元件113。第一製程偏移偵測元件112以及第二製程偏移偵測元件113是不同導電型的兩個製程偏移偵測元件。例如，第一製程偏移偵測元件112可以是P型摻雜元件，而第二製程偏移偵測元件113可以是N型摻雜元件。
電流比較器111連接至第一製程偏移偵測元件112與第二製程偏移偵測元件113。本實施例利用電流比較器111 比較第一製程偏移偵測元件112與第二製程偏移偵測元件113的電流差異來偵測相對製程變異量，然後將電流比較結果輸出給補償信號產生器120。前述電流比較結果可以是任何物理量。例如，電流比較器111可以輸出類比電壓來表示元件112與113的電流比較結果。
補償信號產生器120連接至製程偏移偵測器110。補償信號產生器120依據電流比較器111所提供的電流比較結果產生對應的補償信號S給其他電路。補償信號S可以是類比信號或是數位信號，需視下一級補償電路的設計需求而定。補償信號產生器120可以用任何方式實現。例如，補償信號產生器120內可以配置類比數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC)，以將電流比較器111輸出的電流比較結果轉換為數位碼形式的補償信號S。又例如，補償信號產生器120內可以配置多個電壓比較器，每個電壓比較器各自具有不同的電壓比較範圍。這些電壓比較器將製程變異偵測器110輸出之電流比較結果轉換為多位元數位碼形式的補償信號S。
圖2是說明圖1所示製程偏移偵測裝置100的其中一種實施範例。此實施例將製程偏移偵測裝置100應用於非揮發性記憶體210，以及其位元線電壓箝制器220與補償電路230。非揮發性記憶體210可以是電阻式記憶體、相變化記憶體或是其他非揮發性記憶體。另外，圖2所示實施例是以互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconductor，以下稱CMOS)場效電晶體(field effect transistor,FET)製程為範例。無論如何，製程偏移偵測裝置100的應用不以此為限。
非揮發性記憶體210的操作電壓準位(或偏壓準位)很低。這些記憶體元件在進行讀取操作時，是由位元線電壓箝制器220提供很低的偏壓準位至非揮發性記憶體210的位元線，以確保儲存資料不被破壞。在進行電流感測讀取時，無論記憶細胞儲存資料是1或0，位元線電壓箝制器220皆給予相同固定偏壓使記憶細胞產生不同之對應電流，此位元線電壓箝制器220所提供的位元線讀取偏壓VBL必須相當精準。若讀取偏壓過高會有讀取干擾的危險。反之，若讀取偏壓太低則使讀取電流減少，使得讀取速度變慢。然而，在半導體製程中經常發生製程變異的情況，導致讀取電流和設計值不相同，此情況在先進製程中更為嚴重。
請參照圖2，第一製程偏移偵測元件112包括P通道金屬氧化物半導體(P-channel metal oxide semiconductor，以下稱PMOS)電晶體PB，而第二製程偏移偵測元件113包括N通道金屬氧化物半導體(N-channel metal oxide semiconductor，以下稱NMOS)電晶體NB。電晶體PB可以由單一個PMOS電晶體或多個並聯的PMOS電晶體所構成，而電晶體NB可以由單一個NMOS電晶體或多個並聯的NMOS電晶體所構成。於本實施例中，PMOS電晶體PB和NMOS電晶體NB的設計參數(例如外觀比或通道長寬比等)不相同，依照TT corner製程參數決定PMOS與 NMOS比例，使其驅動電流相同。當然，在某些應用需求下，電晶體PB和NB的設計參數可以相同。PMOS電晶體PB的第一端(例如源極)連接至電流比較器111的第一比較端。PMOS電晶體PB的第二端(例如汲極)與控制端(例如閘極)連接至參考電壓(例如接地電壓)。PMOS電晶體PB的基體(body)連接至PMOS電晶體PB的源極。NMOS電晶體NB的第一端(例如汲極)與控制端(例如閘極)連接至電流比較器111的第二比較端。NMOS電晶體NB的第二端(例如源極)連接至接地電壓。因此，電流比較器111可以藉由比較PMOS電晶體PB和NMOS電晶體NB的電流差異，來偵測CMOS製程變異量。
於本實施例中，電流比較器111包括電流鏡240與第三電晶體SW。電流鏡240的主電流端連接至PMOS電晶體PB，而電流鏡240的僕電流端連接至NMOS電晶體NB。電流鏡240包括第一電晶體PA以及第二電晶體PA_M。第一電晶體PA與第二電晶體PA_M的第一端(例如源極)透過第三電晶體SW耦接至第一電壓(例如電源電壓VDD)。第一電晶體PA與第二電晶體PA_M的控制端(例如閘極)連接至該第一電晶體PA的第二端(例如汲極)。第一電晶體PA與第二電晶體PA_M的汲極分別作為電流鏡240的主電流端與僕電流端。其中，電流鏡240的主電流端與僕電流端的電壓可以做為電流比較器111的電流比較結果，以將電流比較結果提供給補償信號產生器120。
補償信號產生器120包括第四電晶體P0、第五電晶體N0、第六電晶體P1、第七電晶體N1。電晶體P0的第一端(例如源極)耦接至電源電壓VDD，而電晶體P0的控制端(例如閘極)連接至電晶體P0的第二端(例如汲極)。電晶體N0的第一端(例如汲極)耦接至電晶體P0的汲極，該電晶體N0的第二端(例如源極)連接至接地電壓，而電晶體N0的控制端(例如閘極)連接至電流鏡240的主電流端。電晶體P1的第一端(例如源極)耦接至電源電壓VDD，電晶體P1的控制端(例如閘極)連接至電晶體P0的閘極，電晶體P1的第二端(例如汲極)提供補償信號S的其中一個位元。電晶體N1的第一端(例如汲極)耦接至電晶體P1的汲極，電晶體N1的第二端(例如源極)連接至接地電壓，而電晶體N1的控制端(例如閘極)連接至電流鏡240的僕電流端。
應用本實施例者可以依據所需補償信號S的位元數目來增減電晶體串數目。以圖2為例，補償信號S具有3位元，因此補償信號產生器120除了上述電晶體P1與N1所組成的電晶體串外，更配置了第二電晶體串(即電晶體P2與N2)與第三電晶體串(即電晶體P3與N3)。藉由電晶體N1、N2與N3的不同外觀比(或通道長寬比)，此三組電晶體串相當於各自具有不同的電壓比較範圍的三個電壓比較器。電晶體N1、N2與N3的外觀比可以是設計需求而決定。於本實施例中，電晶體N1、N2與N3的外觀比(或通道長寬比)分別為0.85倍、1倍與1.15倍。
也就是說，電流鏡240將流經電晶體PB的電流I1複製到電晶體PA_M上，以便和電晶體NB的電流I2比較。圖3是說明圖2所示電路的補償機制應用效果。圖3上半部的縱軸表示PMOS電晶體的臨界電壓|VTHP|，而橫軸表示NMOS電晶體的臨界電壓|VTHN|。電晶體PB和NB的尺寸比例是由TT corner中PMOS和NMOS的臨界電壓或電子(電洞)遷移率等參數決定。當製程落於TT corner條件下，電晶體PB和NB的驅動能力相同，因此電壓PP和PN電壓相等。當製程落於FF、SS corner條件下，電壓PP和PN也大致相等。電壓PP是藉由電晶體PA和PB分壓而來，因此在各個corner中電壓PP都會是相同電壓。當製程落在FS corner時，NMOS驅動能力較PMOS強，即電晶體NB的電流I2比電晶體PB的電流I1大，此時電壓PN比電壓PP低。反之，若製程落在SF corner，則電壓PN較電壓PP高。
圖3下半部的縱軸表示位元線電壓箝制器220所提供的位元線電壓VBL，而橫軸表示PMOS電晶體與NMOS電晶體的臨界電壓差△Vth。特性曲線310表示沒有補償，而特性曲線320則為補償結果。補償信號產生器120由多個電壓比較器和多個拴鎖器組成，每個電壓比較器的輸入電壓差判別範圍不同。由於以電壓PP作為判斷電壓差大小的標準，因此多個電壓比較器共用正端的部分。電晶體P0與N0形成電壓比較器的共用正端，其餘的電晶體串(即電晶體P1~P3和N1~N3)形成電壓比較器的多個負端。如 上所述，電晶體N1~N3設計為不同的尺寸以達到分辨不同電壓差的功能。因此，當正負端電壓差小於-75mV時，電壓比較器輸出補償信號S的三個位元S<2：0>全為1。當正負端電壓差介於-75mV~0mV時，電晶體N3的尺寸較大，所以補償信號S的三個位元S<2：0>分別為0、1、1。當正負端電壓差介於0mV~75mV時，補償信號S的三個位元S<2：0>分別為0、0、1。當正負端電壓差大於75mV時，補償信號S的三個位元S<2：0>皆為0。
如表1所示，當製程落在極端的FS corner時，臨界電壓差為-6σ(電壓PP和PN相差較大，即電壓PN較低)，△V約為150mV，所以電壓比較器輸出皆為高電壓，經過栓鎖器後輸出補償信號S的三個位元皆為0。反之，當製程落在極端的SF corner時，臨界電壓差為6σ(電壓PN高於電壓PP)，△V約為-150mV，所以電壓比較器輸出皆為低電位，經過栓鎖器後輸出補償信號S的三個位元皆為1。上述兩極端值中間則依照電壓比較器的電壓區間會有不同的輸出結果。
※△Vth=△VTHN+△VTHP
前述補償信號S是由閂鎖器鎖存而提供給補償電路230。當致能信號ENB為邏輯0時，製程變異偵測器110開始偵測製程變異，而其偵測結果傳送至補償信號產生器120以產生多個位元的補償信號S。補償電路230會依據此補償信號S調整虛擬電源電壓VDDM的準位，因此位元線電壓箝制器(或調節器)220所提供給非揮發性記憶體210的偏壓準位會被補償。當致能信號ENB為邏輯1時，製程變異偵測器110會停止運作以節省功耗，此時由閂鎖器維持提供補償信號S給補償電路230。
圖2中補償信號S輸出到位元線電壓箝制器220的電源開關(即補償電路230)，由於位元線電壓箝制器220操作時有直流電流存在，所以虛擬電源電壓VDDM會低於電源電壓VDD。若補償電路230有四個電源開關，電路啟動後至少會有一個電源開關會受控於電壓RDB而導通，其餘開關會依照補償信號S<2：0>決定是否導通。圖3中特性曲線310是未補償之位元線偏壓VBL對製程變異的影響程度。於FS corner下NMOS相對較強，使得位元線偏壓VBL會下降，因此表1中FS corner的補償信號S<2：0>皆為0，即圖2中補償電路230的四個電源開關全部導通，此時VDDM會被抬升進而將箝制器220輸出準位提高以接近原本設計的偏壓，如圖3中特性曲線320所示。反之，於SF corner下PMOS較強，使得位元線偏壓VBL漂高，此時補 償信號S<2：0>皆為1，圖2中補償電路230的四個電源開關僅有一個導通，VDDM電位下降使箝制器220輸出電壓準位下降。
綜上所述，上述實施例揭露一種製程偏移偵測方法，包括下述步驟。提供第一製程偏移偵測元件112與第二製程偏移偵測元件113。比較第一製程偏移偵測元件112與第二製程偏移偵測元件113的電流差異，以獲得電流比較結果。依據該電流比較結果產生對應的補償信號S。
上述實施例偵測半導體製程中PMOS電晶體PB和NMOS電晶體NB的相對製程變異量，產生補償信號提供其他電路進行補償使其操作不會隨著製程變異的發生造成類比輸出電壓的大量漂移，可應用於記憶體電路或是其他常見之互補金屬氧化半導體場效電晶體製程積體電路。
上述實施例可應用於非揮發性記憶體中。許多種類的非揮發性記憶體細胞讀取時會為了避免讀取干擾而將位元線(bit-line)偏壓VBL在較低的類比電位。為了確保產品的良率，傳統設計會犧牲一些讀取電流而保留足夠的偏壓漂移區間。在一些新型的非揮發性記憶體(如相變化記憶體或是電阻式記憶體)，其讀取偏壓VBL更低。尤其是電阻式記憶體，每當降低讀取偏壓VBL就會線性地減少了讀取細胞電流。本實施例可以維持讀取細胞電流又能夠避免讀取干擾的發生。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離 本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧製程偏移偵測裝置
110‧‧‧製程偏移偵測器
111‧‧‧電流比較器
112‧‧‧第一製程偏移偵測元件
113‧‧‧第二製程偏移偵測元件
120‧‧‧補償信號產生器
210‧‧‧非揮發性記憶體
220‧‧‧位元線電壓箝制器
230‧‧‧補償電路
240‧‧‧電流鏡
S‧‧‧補償信號
N0‧‧‧第五電晶體
N1‧‧‧第七電晶體
N2~N3、NB‧‧‧電晶體
P0‧‧‧第四電晶體
P1‧‧‧第六電晶體
P2~P3‧‧‧電晶體
PA‧‧‧第一電晶體
PA_M‧‧‧第二電晶體
PB‧‧‧電晶體
SW‧‧‧第三電晶體
圖1是依照本發明實施例說明一種製程偏移偵測裝置的功能模塊示意圖。
圖2是說明圖1所示製程偏移偵測裝置的其中一種實施範例。
圖3是說明圖2所示電路的補償機制應用效果。
100‧‧‧製程偏移偵測裝置
110‧‧‧製程偏移偵測器
111‧‧‧電流比較器
112‧‧‧第一製程偏移偵測元件
113‧‧‧第二製程偏移偵測元件
120‧‧‧補償信號產生器
S‧‧‧補償信號

Claims (13)

  1. 一種使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，包括：一製程偏移偵測器，包括：一第一製程偏移偵測元件，其通道為第一導電型；一第二製程偏移偵測元件，其通道為第二導電型，其中所述第一導電型與所述第二導電型不相同；以及一電流比較器，連接至該第一製程偏移偵測元件與該第二製程偏移偵測元件以比較二者的電流差異，並輸出一電流比較結果；以及一補償信號產生器，連接至該製程偏移偵測器，依據該電流比較結果產生對應的補償信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該第一製程偏移偵測元件包括一P通道金屬氧化物半導體電晶體，而該第二製程偏移偵測元件包括一N通道金屬氧化物半導體電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該P通道金屬氧化物半導體電晶體的第一端連接至該電流比較器的一第一比較端，該P通道金屬氧化物半導體電晶體的第二端與控制端連接至一參考電壓，該N通道金屬氧化物半導體電晶體的第一端與控制端連接至該電流比較器的一第二比較端，該N通道金屬氧化物半導體電晶體的第二端連接至該參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該P通道金屬氧化物半導體電晶體的基體連接至該P通道金屬氧化物半導體電晶體的第一端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該電流比較器包括一電流鏡，該電流鏡的一主電流端連接至該第一製程偏移偵測元件，該電流鏡的一僕電流端連接至該第二製程偏移偵測元件，而該主電流端與該僕電流端的電壓做為該電流比較結果以提供給該補償信號產生器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該電流鏡包括：一第一電晶體，該第一電晶體的第一端耦接至一第一電壓，該第一電晶體的控制端連接至該第一電晶體的第二端，而該第一電晶體的第二端作為該電流鏡的主電流端；以及一第二電晶體，該第二電晶體的第一端耦接至該第一電壓，該第二電晶體的控制端連接至該第一電晶體的控制端，而該第二電晶體的第二端作為該電流鏡的僕電流端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該電流比較器更包括一第三電晶體，而該第一電晶體與該第二電晶體的第一端是透過該第三電晶體耦接至該第一電壓。
  8. 如申請專利範圍第5項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該補償信號產生器包括：一第四電晶體，該第四電晶體的第一端耦接至一第一電壓，該第四電晶體的控制端連接至該第四電晶體的第二端；一第五電晶體，該第五電晶體的第一端耦接至該第四電晶體的第二端，該第五電晶體的第二端連接至一參考電壓，而該第五電晶體的控制端連接至該電流鏡的主電流端；一第六電晶體，該第六電晶體的第一端耦接至該第一電壓，該第六電晶體的控制端連接至該第四電晶體的控制端，其中該第六電晶體的第二端提供該補償信號；以及一第七電晶體，該第七電晶體的第一端耦接至該第六電晶體的第二端，該第七電晶體的第二端連接至該參考電壓，而該第七電晶體的控制端連接至該電流鏡的僕電流端。
  9. 如申請專利範圍第1項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測裝置，其中該補償信號產生器包括一閂鎖器，用以鎖存該補償信號。
  10. 一種使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測方法，包括：提供一第一製程偏移偵測元件與一第二製程偏移偵測元件，其中該第一製程偏移偵測元件的通道為第一導電型，該第二製程偏移偵測元件的通道為第二導電型，而所述第一導電型與所述第二導電型不相同； 比較該第一製程偏移偵測元件與該第二製程偏移偵測元件的電流差異，以獲得一電流比較結果；以及依據該電流比較結果產生對應的補償信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測方法，其中該第一製程偏移偵測元件包括一P通道金屬氧化物半導體電晶體，而該第二製程偏移偵測元件包括一N通道金屬氧化物半導體電晶體。
  12. 如申請專利範圍第11項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測方法，其中所述產生對應補償信號的步驟包括：使用一類比數位轉換器將該電流比較結果轉換為該補償信號。
  13. 如申請專利範圍第11項所述使用於非揮發性記憶體之製程偏移偵測方法，其中所述產生對應補償信號的步驟包括：使用一閂鎖器鎖存該補償信號。
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