TWI830414B - 求值電路、半導體裝置以及求值方法 - Google Patents

Abstract

求值電路，使用該求值電路的半導體裝置與求值方法，能正確地測量各個電晶體的電壓值，使該電壓值的種類在4種以下。 求值電路包括複數個具有電晶體Tr的元件，包括：第1開關元件，設置於電晶體的汲極與第1汲極電源之間；以及第2開關元件，與第1開關元件並聯，並設置於汲極與第2汲極電源之間；源極與源極電源電性相接；從第2汲極電源施加電壓於汲極並與施加於源極的電壓相等。

Description

求值電路、半導體裝置以及求值方法

本發明關於一種求值電路、半導體裝置以及求值方法。

近年來由於微型化的不斷進步，會產生臨界值電壓偏低或是基板偏壓係數的劣化等，被稱為「短通道效應」而造成晶圓內各元件特性的波動增大。而這些都會對半導體元件造成影響。

因此，以事先測量元件的特性並設置測試元件群組(Test Element Group，TEG)，評估各TEG當中包含測試元件特性之方法。此透過評估TEG，以預測半導體元件內實際工作元件的特性以及與電路的關係。

舉例來說，以矩陣形狀搭載了縱列i個、橫列j個電晶體。若將各電晶體特定為m(i,j)，為了測量m(1,1)電晶體，由於存在流過與m(1,1)、m(2,1)、…電晶體相同縱列的電晶體間的漏電流，因此實際上無法測量流入m(1,1)電晶體的汲極－源極電流。因此，通常會在TEG當中，在各電晶體間配置選擇器，作為開關元件以解決漏電流問題。藉由不活化選擇器，將各電晶體從互相鄰接的電晶體分離，以進行各電晶體的測量。

附帶一提，使用TEG測量電晶體時，會在電晶體的源極、汲極、閘極施加期望的電壓，藉由測量汲極－源極電流而進行評估。舉例來說，專利文獻1的電路中，設置了5個焊墊作為電源發揮功能，並測量各焊墊的電壓值、電流值以進行測量。針對此點，使用圖6進行說明，圖6示意習知的求值電路，圖7示意使用於習知的求值電路的元件結構。

習知的TEG當中的元件101，包括：電晶體(場效電晶體，MOSFET)Tr、以及4個選擇器tgd_e~ tgd_h。電晶體Tr的汲極分別透過選擇器tgd_e、tgd_f設置第1以及第2汲極電源焊墊111、112，源極分別透過選擇器tgd_g、tgd_h設置第1以及第2源極電源焊墊114、115。另外，對電晶體Tr的閘極設置1個閘極電源焊墊113。

圖6電路中，測量元件101(1,1)的電晶體Tr，使元件101(1,1)以外的所有元件101(1,2…j)的選擇器tgd_e~ tgd_h不活化。藉此，使元件101(1,1)的電晶體Tr與元件101中的其他電晶體Tr分離，電流(從第1汲極電源焊墊111流向第1源極電源焊墊114的電流)只會流向元件101(1,1)的電晶體Tr。

為了測量元件101(1,1)的電晶體Tr，必須分別測量電晶體Tr的閘極電壓、汲極電壓及源極電壓，但為了與鄰接元件101分離的選擇器tgd_e、tgd_g，分別設置於源極、汲極，對於從第1汲極電源焊墊111流向第1源極電源焊墊114的電流來說，這些都相當於電阻，因此光是測量第1汲極電源焊墊111、閘極電源焊墊113、以及第1源極電源焊墊114，就無法正確地進行電晶體Tr的電壓測量。因此，為了測量電晶體Tr電壓，就必須要測量第1汲極電源焊墊111、第2汲極電源焊墊112、閘極電源焊墊113、第1源極電源焊墊114以及第2源極電源焊墊115的電壓，第1汲極電源焊墊111以及第2汲極電源焊墊112是為了測量汲極電壓，閘極電源焊墊113是為了測量閘極電壓，第1源極電源焊墊114以及第2源極電源焊墊115是為了測量源極電壓。另外，第6圖所示的半導體裝置100，包含VDD電源焊墊116以及VSS電源焊墊117。VSS電源焊墊117是用來對電晶體Tr的源極施加電源電壓Vss的電源焊墊，VDD電源焊墊116是用來對電晶體Tr的汲極施加電源電壓Vdd的電源焊墊。雖然這些電源焊墊以設定的電壓來施加電壓，但有的時候實際值會與設定的電壓不同，因此需要測量電壓。

由於從第1汲極電源焊墊111施加的電壓，與從VDD電源焊墊116施加的電壓相等，因此，只需要測量VDD電源焊墊116當中的電壓即可，而不需要測量第1汲極電源焊墊111的電壓。另外，由於從第1源極電源焊墊114施加的電壓，與從VSS電源焊墊117施加的電壓相等，因此，只需要測量VSS電源焊墊117當中的電壓即可，而不需要測量第1源極電源焊墊114的電壓。因此，實際進行測量時，是測量VDD電源焊墊116、VSS電源焊墊117、閘極電源焊墊113、第2源極電源焊墊115以及第2汲極電源焊墊112等5種類的電壓來進行測量。

然而，根據電壓測量裝置(以探針測量電源焊墊當中的電壓裝置)的不同，可以測量的電壓最多到4種類。因此，根據電壓測量裝置的不同，有的時候無法全部測量專利文獻1中所示的習知的TEG電壓，因此無法進行測量。

本發明的目的在於解決上述習知技術的問題點，並提供一種求值電路以及使用求值電路的半導體裝置，能夠正確地測量個別的電晶體當中的電壓值，同時使電壓值的種類在4種類以下。另外，本發明的目的在於提供一種求值方法，能夠正確地測量個別的電晶體當中的電壓值，同時使電壓值的種類在4種類以下。

本發明係提供一種求值電路，包含複數個電晶體；其中，求值電路包含：第1開關元件，設置於電晶體的汲極與第1汲極電源之間；以及第2開關元件，與第1開關元件並聯並設置於汲極與第2汲極電源之間；其中，電晶體的源極與源極電源電性相接；其中，施加於第2汲極電源的電壓與施加於源極的電壓相等。

本發明的求值電路中，藉由電晶體的源極，與源極電源電性相接，施加第2汲極電源的電壓與施加於源極的電壓相等，因此，並不需要測量源極電壓，在求值電路中，至少測量源極電源、閘極電源、第1汲極電源等3種類的電壓即可。另外，藉由第1開關元件設置於電晶體的汲極與第1汲極電源之間，就可以將第1汲極電源與電晶體之間存在的元件分離；同時，藉由第2開關元件與第1開關元件並聯設置，並設置於汲極與第2汲極電源之間，就可以將第2汲極電源與電晶體之間存在的元件分離。藉此，就可以正確地對元件電壓進行測量。

較佳的情況包括：第3開關元件，設置於電晶體的汲極與第3汲極電源之間；其中，第3開關元件與電源焊墊電性相接。藉由這樣的方式，第3開關元件就可以將第3汲極電源與電晶體之間存在的元件分離，另外，即使增加1個第3汲極電源作為應測量的電源焊墊，也只需要測量總共4種類的電壓。

較佳為包含：第4開關元件，設置於第1汲極電源與源極電源之間，與電晶體以及第1開關元件並聯；其中，第4開關元件與第1開關元件具有相同的特性。藉由第4開關元件與第1開關元件具有相同的特性，因此電晶體的汲極只需要設置第1以及第2汲極電源焊墊即可。

該電晶體的該源極側沒有設置第1至第4中任一開關元件。

本發明較佳實施例，例如：該第1至第4中任一開關元件是由2個場效電晶體所組成，2個場效電晶體的源極端子彼此連接，且該2個場效電晶體的汲極端子彼此連接。

本發明的半導體裝置，包含上述任一項之求值電路。

本發明的求值方法，使用上述任一項之求值電路，對所期望的元件進行測量；當所欲測量的元件為第1開關元件與第2開關元件時，使第1開關元件與第2開關元件成為導通(ON)狀態；當所欲測量的元件為第1開關元件與第2開關元件以外的元件時，使第1開關元件與第2開關元件成為斷開(OFF)狀態，以進行測量。

根據本發明的求值電路以及求值方法，能夠正確地測量個別的電晶體當中的電壓值，同時使電壓值的種類在4種類以下。

以下，參照隨附的圖式，詳細說明關於本發明實施形態的求值電路、半導體裝置以及求值方法。然而，該實施形態僅為例示，本發明並不以此為限。

如第1圖所示，半導體裝置1的半導體基板(第1圖未圖示)上，包括求值電路的測試元件群組(TEG)10、解碼邏輯電路20。另外，半導體裝置1包括：第1汲極電源焊墊31、第2汲極電源焊墊32、閘極電源焊墊33、源極電源焊墊34、VSS電源焊墊35、VDD電源焊墊36、AD電源焊墊37。

解碼邏輯電路20基於來自於未圖示的複數個控制電路的輸入訊號，將輸入訊號ctrl_signals輸出。輸入訊號ctrl_signals是針對在元件11之中測量特定的元件11，將測量化訊號，實際上，是從特定元件的複數個位址訊號產生的。

本實施形態的測試元件群組10，以矩陣形式測量元件11，也就是在行方向配置i行，在列方向配置j列的方式配置，並彼此互連。另外，i與j為1以上的整數。第1圖中，僅示意測試元件群組10的一部分。各元件11如第2圖所示。另外，若要將元件11的構成元件，以其位置與其他的元件等進行區別時，本實施形態中，會針對元件或構成元件賦予它一個位置(i,j)進行說明。

元件11包含：第1汲極端子d0，第1汲極電源焊墊31、第2汲極端子d1，第2汲極電源焊墊32、閘極端子g0，閘極電源焊墊33、源極端子s0，源極電源焊墊34、VSS端子vss，VSS電源焊墊35。另外，元件11包括輸入端子cs，輸入來自於解碼邏輯電路20的輸入訊號ctrl_signals。

第1汲極電源焊墊31、第2汲極電源焊墊32，是用來對第2圖所示的元件11的電晶體Tr的汲極施加電壓的電源焊墊。閘極電源焊墊33是用來對電晶體Tr的閘極施加電壓的電源焊墊。藉由對電晶體Tr的閘極施加臨界值電壓，能夠切換電晶體Tr的導通(ON)、斷開(OFF)狀態。同樣地，源極電源焊墊34是用來對電晶體Tr的源極施加電壓的電源焊墊。VSS電源焊墊35是用來對電晶體Tr的汲極施加電源電壓Vss的電源焊墊，VDD電源焊墊36是用來對電晶體Tr的汲極施加電源電壓Vdd的電源焊墊。VSS電源焊墊35以及VDD電源焊墊36，將電源電壓提供給連接解碼邏輯電路20的解碼邏輯電路20。汲極的電源電壓Vdd可以是比源極的電源電壓Vss還要大的值，舉例來說，若汲極的電源電壓Vdd為正值，則源極的電源電壓Vss可以接地，或是比電源電壓Vdd還要低的負值。另外，AD電源焊墊37為位址電源，產生用來選擇測試元件群組10的各元件11的訊號，並輸入至解碼邏輯電路20。

如上所述，第2圖所示的元件11，包括N型場效電晶體(MOSFET)的電晶體Tr。電晶體Tr的閘極，電性相接閘極端子g0，電晶體Tr的源極，電性相接源極端子s0。電晶體Tr的汲極，透過選擇器tgd_a(相當於本發明的第1開關元件)連接第1汲極端子d0，透過選擇器tgd_b(相當於本發明的第2開關元件)連接第2汲極端子d1，透過選擇器tgd_c(相當於本發明的第3開關元件)連接VSS端子vss。各端子連接第1圖所示對應的電源焊墊。因此，電晶體Tr的閘極不透過選擇器，直接電性相接閘極電源焊墊33，電晶體Tr的源極，同樣也不透過選擇器，直接電性相接源極電源焊墊34。

選擇器tgd_a~tgd_c的任一者都具有相同的結構，由N通道型的MOSFET 12、P通道型的MOSFET 13所組成。MOSFET 12與MOSFET 13的源極彼此連接，且MOSFET 12與MOSFET 13的汲極彼此連接。選擇器tgd_a~tgd_c以開關的形式發揮功能，雖然本實施形態中並未圖示，但可以對MOSFET 12與MOSFET 13的閘極施加電壓，分別使它們活化/不活化，藉以進行開關的導通/斷開(ON/OFF)操作，在鄰接的元件11間分離電晶體Tr。

具體來說，在每個元件11中，於測量電晶體Tr時，將輸入訊號ctrl_signal從解碼邏輯電路20輸入所測量的對象元件11，使得選擇器tgd_a與選擇器tgd_b活化，使得選擇器tgd_c不活化。另外，將輸入訊號ctrl_signal從解碼邏輯電路20輸入所測量的對象以外的元件11，使得選擇器tgd_a與選擇器tgd_b不活化，使得選擇器tgd_c活化。

舉例來說，第3圖為元件11(1,1)與元件11(1,2)的等價電路，在第3圖中，元件11(1,1)，選擇器tgd_a、選擇器tgd_b為導通狀態，選擇器tgd_c為斷開狀態。另外，於元件11(1,2)當中，選擇器tgd_a、選擇器tgd_b為斷開狀態，選擇器tgd_c為導通狀態。

藉由讓元件11(1,1)的電晶體Tr工作，也就是施加閘極電壓，如第3圖所示，測量的元件11(1,1)當中，電流Ids如實線所示，從第1汲極端子d0往源極端子s0流通，而非測量元件11(1,2)當中，電流Ids並未流通。另外，鄰接測量元件11(1,1)的元件11(1,2)當中，如虛線所示，從VSS端子vss往源極端子s0流通的電流Ivss同樣也未流通。其原因為，在元件11當中，設定施加於VSS電源焊墊35的電壓，與施加於源極電源焊墊34的電壓相同，因此沒有產生電流。

第4圖為元件的測量時序圖。第4圖示意身為測量對象的元件11(1,1)以及與其鄰接的元件11(1,2)的各電壓值、以及在汲極－源極間流通的電流。測量的元件11(1,1)當中，與第3圖相同，選擇器tgd_a、選擇器tgd_b為導通狀態，選擇器tgd_c為斷開狀態，元件11(1,2)的選擇器tgd_a、選擇器tgd_b為斷開狀態，選擇器tgd_c為導通狀態。從時間t01起，從第1以及第2汲極電源焊墊31、32施加電壓。之後，從時間t02起，從閘極電源施加電壓於元件11(1,1)的電晶體Tr的閘極。閘極電源焊墊33當中的電壓值設為G0，第1以及第2汲極電源焊墊31、32當中的電壓值設為D0、D1，源極電源焊墊34當中的電壓值設為S0，針對元件11(1,1)的電壓值標示為(1,1)，針對元件11(1,2)的電壓值標示為(1,2)。

如第4圖所示，起初，時間t01至時間t02之中，由於並沒有從閘極電源焊墊33、源極電源焊墊34施加電壓於任何一個元件11，因此電壓值沒有變化。另一方面，從第1汲極電源焊墊31以及第2汲極電源焊墊32以電源電壓值Vdd施加電壓。此處，實際上會產生流過電晶體Tr的微小漏電流。雖然在第1汲極電源焊墊31會測量到電源電壓值Vdd，但是在第2汲極電源焊墊32，會測量到比電源電壓值Vdd還要小的電壓值Vd1。

接著，在時間t02，從閘極電源焊墊33施加閘極電壓於元件11，閘極因此被斷言(Assert)。藉此，在元件11(1,1)當中，電流Ids將會在汲極－源極間流通。此時，第2汲極電源焊墊32產生電流Ids，藉此測量比電壓值Vd1還要小的電壓值Vd2。

本實施形態中，藉由使用選擇器tgd_a~tgd_c將各元件11從鄰接的元件11分離，就可以在進行期望的電晶體Tr的測量時，不產生流過元件11間的漏電流，而能夠正確地測量電晶體Tr的特性。

此情況下，為了得到電晶體Tr的特性，而應測量的電源焊墊，有閘極電源焊墊33、第1汲極電源焊墊31、第2汲極電源焊墊32、源極電源焊墊34、VSS電源焊墊35、VDD電源焊墊36等種類，然而，由於從第1汲極電源焊墊31施加的電壓，與從VDD電源焊墊36施加的電壓值相等，因此測量到的電壓值也會相等。另外，由於從源極電源焊墊34施加的電壓，也與從VSS電源焊墊35施加的電壓值相等，因此測量到的電壓值也會相等。因此，本實施形態實際測量的電壓，即為閘極電源焊墊33當中的電壓、VDD電源焊墊36當中的電壓、VSS電源焊墊35當中的電壓、第2汲極電源焊墊32當中的電壓等4種類。因此，本實施形態中，相較於習知的求值電路，能夠減少應測量的電壓的種類。

上述實施形態中，應測量的電壓的種類為4種類，不同的地方在於，而本實施形態中，應測量的電壓的種類為3種類。以下搭配圖式詳述。另外，針對與實施形態1相同的構成元件，將給予相同的參照符號進行說明。

上述實施形態中，如第4圖所示，當電流Ids流過電晶體Tr時，對於電流Ids來說，選擇器tgd_a就相當於電阻，因此第2汲極電源焊墊32當中的電壓，是比從第1汲極電源焊墊31施加的電壓Vdd還要低的電壓Vd2。因此，進行電晶體Tr的測量之際，也需要測量第2汲極電源焊墊32當中的電壓。相較之下，本實施形態中，由於可以事先得知第2汲極電源焊墊32當中的電壓，其電壓值比從第1汲極電源焊墊31施加的電壓Vdd還要低多少，因此並不需要進行第2汲極電源焊墊32當中的電壓的測量。因此，本實施形態中，應測量的電壓的種類為3種類。

使用第5圖說明本實施形態中元件11A的構成。如第5圖所示，元件11A包含選擇器tgd_d(相當於本發明的第4開關元件)，位於源極端子s0與汲極端子d0之間，與選擇器tgd_a並聯。選擇器tgd_d與選擇器tgd_a具有相同的特性，舉例來說，以相同的大小構成。

然後，事先只將選擇器tgd_d導通，並將其他以外的選擇器斷開，從第1汲極電源焊墊31以及閘極電源焊墊33施加電壓，以得到該元件11的第1汲極電源焊墊31流向源極電源焊墊34的電流的各電壓當中的值。換言之，將源極電源焊墊34的電壓設為恆定，改變來自於第1汲極電源焊墊31的電壓，測量流入各個施加汲極電壓的元件11的電流值。此情況來自於第1汲極電源焊墊31的電壓值，設為初始電壓值，流入各個施加汲極電壓的元件11的電流值，設為初始電流值。

進行電晶體Tr的測量之際，將測量的元件11的選擇器tgd_a導通，並將其他以外的選擇器斷開。另外，將不是測量的元件11的選擇器tgd_a斷開，並將其他以外的選擇器導通。然後，從源極電源焊墊34施加電壓的同時，從第1汲極電源焊墊31施加電壓，測量流入元件11的電流。與該元件11的電流值相同的初始電流值時的電壓值，就是第1汲極電源焊墊31的電壓值。

換言之，本實施形態中，藉由事先得知選擇器tgd_a的電阻值造成多少程度的電壓下降，而可以得知汲極電壓比從第1汲極電源焊墊31施加的電壓還要低多少。藉此，本實施形態中，雖然半導體裝置1當中設置有第1汲極電源焊墊31、閘極電源焊墊33、源極電源焊墊34、VDD電源焊墊36、VSS電源焊墊35，但並不需要測量第1汲極電源焊墊31的電壓值。實際測量的只有VDD電源焊墊36、閘極電源焊墊33、VSS電源焊墊35等3種類。

上述實施形態中的測試元件群組10的構成僅為一例，可以適當變更，也可以採用其他各式各樣的構成。另外，雖然以第2圖、第5圖示意了元件11、11A的構成，但這些構成也僅為一例，可以適當變更，也可以採用其他各式各樣的構成。舉例來說，雖然示意了選擇器tgd_a~tgd_d作為開關元件，但並不以此為限。只要是能夠作為開關元件發揮功能的即可。

1:半導體裝置 10:測試元件群組 11,11(1,1),11(1,2),11A:元件 12,13:場效電晶體(MOSFET) 20:解碼邏輯電路 31:第1汲極電源焊墊(D0) 32:第2汲極電源焊墊(D1) 33:閘極電源焊墊(G0) 34:源極電源焊墊(S0) 35:VSS電源焊墊(VSS) 36:VDD電源焊墊(VDD) 37:AD電源焊墊(AD) 100:半導體裝置 101,101(1,1),101(1,2)~101(1,j):元件 111:第1汲極電源焊墊(D0) 112:第2汲極電源焊墊(D1) 113:閘極電源焊墊(G0) 114:第1源極電源焊墊(S0) 115:第2源極電源焊墊(S1) 116:VDD電源焊墊(VDD) 117:VSS電源焊墊(VSS) ctrl_signals:輸入訊號 Ids:電流 Ivss:電流 Tr:電晶體 cs:輸入端子 d0:第1汲極端子 d1:第2汲極端子 g0:閘極端子 s0:源極端子 t01,t02:時間 tgd_a~tgd_h:選擇器 vss:VSS端子

第1圖是根據本發明一實施例所繪示一求值電路結構圖。 第2圖是根據本發明一實施例所繪示用以說明一求值電路的元件結構圖。 第3圖是根據本發明一實施例所繪示用以說明實施形態1相關的求值電路的元件動作流程圖。 第4圖為一時序圖，用以說明實施形態1相關的測量求值電路元件的時序動作。 第5圖是根據本發明另一實施例所繪示用以說明意實施形態1相關的求值電路的元件結構圖。 第6圖為一習知的求值電路的構成圖。 第7圖為一習知的求值電路的元件結構圖。

1:半導體裝置

10:測試元件群組

11:元件

20:解碼邏輯電路

31:第1汲極電源焊墊(D0)

32:第2汲極電源焊墊(D1)

33:閘極電源焊墊(G0)

34:源極電源焊墊(S0)

35:VSS電源焊墊(VSS)

36:VDD電源焊墊(VDD)

37:AD電源焊墊(AD)

ctrl_signals:輸入訊號

cs:輸入端子

d0:第1汲極端子

d1:第2汲極端子

g0:閘極端子

s0:源極端子

vss:VSS端子

Claims (10)

1. 一種求值電路，包括具有複數個電晶體，該求值電路更包括：第1開關元件，設置於該電晶體的汲極與第1汲極電源之間；以及第2開關元件，與該第1開關元件並聯並設置於該汲極與第2汲極電源之間；其中，該電晶體的源極與源極電源電性相接；其中，施加於該第2汲極電源的電壓，與施加於該源極電源的電壓相等。
2. 如請求項1之求值電路，更包括：第3開關元件，設置於該電晶體的該汲極與第3汲極電源之間；其中，該第3開關元件與電源焊墊電性相接。
3. 如請求項2之求值電路，更包括：第4開關元件，設置於該第1汲極電源與該源極電源之間，與該電晶體以及該第1開關元件並聯；其中，該第4開關元件與該第1開關元件具有相同的元件特性。
4. 如請求項3之求值電路，其中，該電晶體的該源極側沒有設置該第1至第4任何一開關元件。
5. 如請求項3之求值電路，其中，該第1至第4中任何一開關元件是由2個場效電晶體所組成，該2個場效電晶體的源極端子彼此連接，且該2個場效電晶體的汲極端子彼此連接。
6. 如請求項2或3之求值電路，其中，該第1汲極電源是施加於第1汲極電源焊墊的電壓；其中，該第2汲極電源是施加於第2汲極電源焊墊的電壓；其中，該第3汲極電源是施加於VSS電源焊墊的電壓；其中，該源極電源是施加於源極電源焊墊的電壓。
7. 如請求項2或3之求值電路，其中，該第1汲極電源是從第1汲極電源焊墊施加於該電晶體的該汲極的電壓；其中，該第2汲極電源是從第2汲極電源焊墊施加於該電晶體的該汲極的電壓；其中，該第3汲極電源是從VSS電源焊墊施加於該電晶體的該汲極的電壓；其中，該源極電源是從源極電源焊墊施加於該電晶體的該源極的電壓。
8. 如請求項7之求值電路，其中，從該VSS電源焊墊施加於該汲極的電壓，與從該源極電源焊墊施加於該源極的電壓相等。
9. 一種半導體裝置，包括如請求項1至5項中任一項之求值電路。
10. 一種求值方法，使用如請求項1至5項中任一項之求值電路，對該求值電路中期望的元件進行測量；當所欲測量的該元件為該第1開關元件與該第2開關元件時，使該第 1開關元件與該第2開關元件成為導通(ON)狀態；當所欲測量的該元件為該第1開關元件與該第2開關元件以外的該元件時，使該第1開關元件與該第2開關元件成為斷開(OFF)狀態，以進行該元件的測量。