專利名稱：用于評估集成電路的可靠性的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般而言涉及集成電路領域，具體而言，涉及用于評估具有大量場效應晶 體管的集成電路的可靠性的方法和電路系統(tǒng)。
背景技術：
隨著高性能、高速集成電路(IC)的持續(xù)發(fā)展，在單個IC內使用的半導體器件， 特別是諸如晶體管(例如，硅-鍺(SiGe)異質結雙極晶體管(HBT)和各種場效應晶體管 (FET))的有源半導體器件的數(shù)目持續(xù)激增。結果，使利用大量半導體器件的IC芯片保持 高度可靠則快速地成為當前技術發(fā)展中最有挑戰(zhàn)性的任務之一。對于包含百萬甚至十億個 FET的IC芯片而言，F(xiàn)ET的一次單個失效至少在理論上會引起利用該失效的FET的整個芯 片或系統(tǒng)失效或誤操作。另一方面，隨著朝向發(fā)展超大規(guī)模集成(VLSI)電路而持續(xù)按比例 縮小，用于每個單獨的晶體管或FET的可靠性裕度大幅縮小，這進一步加劇了 IC芯片級的 上述可靠性問題。

發(fā)明內容
在現(xiàn)有技術中需要產生半導體電路或改進現(xiàn)有半導體電路，這些半導體電路可以 被可靠地用于一些關鍵應用，例如軍事、醫(yī)藥和航天應用。對于當前的現(xiàn)有技術狀態(tài)的IC， 由晶體管熱載流子導致的閾值電壓和開啟電流(Ion)漂移是需要在芯片操作期間解決的 部分最重要的芯片可靠性問題。本發(fā)明的實施例提供用于減輕上述可靠性問題的解決方 案。該解決方案提供“片上”內置式可靠性監(jiān)視器，其提供實時可靠性預測，以監(jiān)視器件在 其使用壽命期間的狀態(tài)并在必要時產生對潛在的器件失效的早期警報信號。本發(fā)明的實施例提供一種方法和采用該方法的片上可靠性監(jiān)視系統(tǒng)，其可以在正 常運轉的晶體管失效之前提供早期警報信號。換言之，根據(jù)本發(fā)明的可靠性監(jiān)視系統(tǒng)可以 克服一定的統(tǒng)計障礙，從而，在一個實施例中，確保在芯片上的可能為億萬個的許多器件當 中沒有一個有源器件比監(jiān)視器件自身更早地失效。本發(fā)明的實施例提供一種方法，其包括在第一操作條件下操作多個場效應晶體 管(FET)；使所述多個FET中的至少一個的操作方向反轉持續(xù)一短時長；測量在所述短時長 期間所述多個FET中的所述一個的第二操作條件；計算在所述第二操作條件與參考操作條 件之間的差異；以及基于在所述第二操作條件與所述參考操作條件之間的所述差異而提供 可靠性指示信號(indicator)，其中所述多個FET被用于單個集成電路(IC)中。在一個實 施例中，所述第一操作條件是具有第一操作電流和第一操作電壓的正向飽和操作條件；所 述第二操作條件是具有第二操作電流和第二操作電壓的反向飽和操作條件；并且具有參考 操作電流和參考操作電壓的所述參考操作條件是在所述多個FET開始正常使用的時刻的 所述正向飽和操作條件。在一個方面中，計算所述差異包括計算所述第二操作電流與所述參考操作電流之 間的差異，其中所述第二操作電壓與所述參考操作電壓基本上相同。在另一方面中，提供所述可靠性指示信號包括比較所述第二操作電流和所述參考操作電流之間的所述差異與預 定閾值，并且提供警報信號，所述警報信號基于所述差異離開所述預定閾值多遠而按比例 縮放。本發(fā)明的實施例還包括在所述多個FET開始正常使用的所述時刻記錄所述多個 FET中的所述一個的所述參考操作電流；以及將所述預定閾值設定為所述參考操作電流的 百分比。在一個方面中，所述預定閾值被設定在所述參考操作電流的約10%。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述多個FET中的所述一個是可靠性傳感器，并且當 所述可靠性傳感器在所述第二操作條件下操作時的所述短時長顯著短于當所述多個FET 在所述第一操作條件下操作時的正常時長，從而所述短時長不會在所述可靠性傳感器和除 了所述可靠性傳感器之外的所述多個FET之間產生任何可檢測到的可靠性差異。例如，所 述短時長可以小于所述正常時長的0. 或甚至0. 01%。本發(fā)明的實施例還包括計算所述可靠性傳感器的所述第一操作電流與所述參考 操作電流之間的差異，而所述第一操作電壓與所述參考操作電壓基本上相同；以及如果所 述差異超過預設值，則提供建議以替換所述多個FET中的預選的一套FET。在一個方面中， 所述預設值為所述參考操作電流的約10 %。所述方法于是自動地或者在接收到遵照所述建 議的外部指令之后用一套內置的備份FET來替換所述預選的一套FET。在本發(fā)明的一個實施例中，所述多個FET具有基本上相同的尺寸和基本上相似的 結構，從而隨著時間流逝而經歷基本上相同的可靠性劣化過程。在本發(fā)明的另一實施例中， 所述多個FET被制造為在所述單個IC中彼此緊鄰以經歷基本上相同的環(huán)境效應。


通過結合附圖進行的對本發(fā)明的以下詳細描述，可以更充分地了解和理解本發(fā) 明，在附圖中圖1是場效應晶體管(FET)和該FET在線性操作條件期間的操作的簡化示意性示 例；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例在正向飽和操作條件下操作的可靠性傳感器的示意 性示例；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例在反向飽和操作條件下操作的可靠性傳感器的 示意性示例；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例在場效應晶體管受應力前后的樣品測試結果的 圖表；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例采用一個或多個可靠性傳感器和替換用晶體管的半 導體芯片的示意性示例；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的支持可靠性傳感器的操作的模擬電路的示意 性示例；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一實施例的操作可靠性晶體管的方法的簡化流程示例。應理解，為了簡化和示例的清楚的目的，附圖中的部件未必按比例繪制。例如，為 了清楚的目的，相對于其他部件而放大了某些部件的尺寸。
具體實施例方式在以下的詳細描述中，為了提供對本發(fā)明的實施例的全面了解，闡述了多個具體 細節(jié)。然而，本領域的普通技術人員應理解，可以在沒有這些具體細節(jié)的條件下實施本發(fā)明 的實施例。為了不使本發(fā)明的本質和/或實施例的表示模糊，在以下的詳細描述中，為了表 示和/或示例的目的，可以將本領域中公知的處理步驟和/或操作組合在一起，并且在一些 情況下不進行詳細描述。在其他情況下，根本不描述本領域中公知的處理步驟和/或操作。 本領域技術人員將理解，以下描述更注重于本發(fā)明的實施例的不同特征和/或要素。在以下的詳細描述中，對公知的器件處理技術和/或步驟不進行詳細描述，并且， 在某些情況下，可以參考其他公開的論文或專利申請，以不使對這里在下面進一步詳述的 本發(fā)明的本質的描述模糊。圖1是在線性操作條件下場效應晶體管(FET)的簡化示意性示例。FET 100是例 如互補金屬氧化物半導體FET (CMOS-FET)，且形成在半導體襯底101上。FET 100包括源極 /漏極區(qū)102和103、柵極導體104、以及在柵極導體104之下的柵極介電層105。柵極導體 104和柵極介電層105都形成在FET 100的溝道區(qū)106的頂上。通常，F(xiàn)ET還可包括其他部 件和/或組件，例如，間隔物、源極/漏極擴展區(qū)、暈圈注入物、硅化物接觸等等。然而，為了 不使對本發(fā)明的本質的描述和示例模糊，在本發(fā)明的以下描述中，關于FET 100的描述，這 些部件和/或組件不重要，因此其細節(jié)被省略且未在圖1以及圖2、圖3中示例。另外，F(xiàn)ET 100可以是摻雜有P型摻雜劑的FET (PFET)或者是摻雜有η型摻雜劑的FET (NFET)。為了 描述而不損失普適性，下面將FET 100描述作為NFET，更具體地，作為CM0S-NFET器件。在操作期間，NFET 100的溝道區(qū)106中的多數(shù)載流子可以是電子。例如，如圖1所 示，在正常的線性操作模式期間，源極/漏極區(qū)102可以用作源極且被接地，而源極/漏極 區(qū)103可以用作漏極且被施加電壓。也對柵極104施加電壓。在本發(fā)明的一個方面中，例 如，可以對柵極104施加大于閾值電壓Vth的柵極至源極電壓Ves，并且可以對漏極103施加 小于(Ves-Vth)的漏極至源極電壓VDS。在上述操作條件下，電子沿溝道區(qū)106從源極102流 到漏極103，如圖1中的箭頭所示。在溝道區(qū)106中，可以形成通常為均勻的電子密度111。 在緊鄰漏極103處，沿著位于柵極導體104下方的柵極介電層105和溝道區(qū)域106之間的 界面存在少量被俘獲的高能電子112，如在下面更詳細描述的。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以使用FET 100作為用于確定和/或預測其他場效應晶 體管的可靠性的可靠性傳感器，所述其他場效應晶體管可被制造在同一半導體芯片上的緊 鄰FET 100處，以提供芯片的特定功能性。在以下的描述中，將提供半導體芯片的功能性的 FET稱為“功能性FET”，并將FET 100稱為可靠性傳感器以區(qū)別于通過可靠性傳感器100監(jiān) 視器可靠性的其他功能性FET。在一個實施例中，功能性FET可被制造為具有與可靠性傳 感器100基本上相同的尺寸和基本上相似的結構并在與可靠性傳感器100基本上相同的操 作條件下操作，以便可靠性傳感器100的可靠性接近地代表功能性FET的可靠性。換言之， 可靠性傳感器100經歷與功能性FET基本上相同的隨時間流逝的可靠性劣化過程或老化效 應。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例在正向飽和操作條件下操作的可靠性傳感器的示意 性示例。例如，可靠性傳感器100可以被飽和正向偏置或者說在正向飽和操作條件下，以便 漏極至源極電壓Vds大于(Ves-Vth),這與在線性操作條件下的小于(Ves-Vth)形成對比。另一方面，柵極至源極電壓Ves大于閾值電壓Vth，這與線性操作條件相似。如本領域中公知的， 正向飽和操作條件是在半導體芯片中使用的功能性FET的標準操作條件。根據(jù)本發(fā)明的另 一實施例，可靠性傳感器100可以至少在大部分時間操作在與功能性FET相同或基本上相 似的正向飽和操作條件下，從而盡可能接近地模擬通過可靠性傳感器100監(jiān)視其可靠性的 功能性FET的任何老化效應或劣化效應。在正向飽和操作條件期間，沿著可靠性傳感器100的溝道106可能產生“熱載流 子”。這里，術語“熱載流子”通常是指在通過高強度的電場在半導體器件內的區(qū)域中被加 速之后獲得了足夠高的動能的空穴或電子。在被用作在正向飽和操作條件下操作的可靠性 傳感器的CM0S-NFET器件100的本實施例中，在源極區(qū)102和漏極區(qū)103之間的溝道區(qū)106 中，大多數(shù)熱載流子可以是電子(“熱電子“)。該正向飽和操作條件可以在溝道區(qū)106中 產生強電場，導致產生電子密度201，該電子密度201的分布沿著溝道區(qū)106從源極區(qū)102 到漏極區(qū)103降低并最終到達夾斷點203。溝道區(qū)106中的強電場使得至少部分電子在移 動跨過溝道區(qū)106期間獲得高動能，從而成為熱載流子。結果，具有足夠高動能的部分熱載 流子202或者在該情況下的熱電子可注入和/或俘獲在可靠性傳感器100中的預定或作為 目的地的區(qū)域中，如下面更詳細描述的。例如，可靠性傳感器100包括柵極介電層105，其可以是直接在如上所述的襯底 101的溝道區(qū)106的頂上形成的柵極絕緣層。此外，例如，在柵極介電層105是氧化物層且 襯底101是硅襯底的情況下，柵極介電層105和溝道區(qū)106之間的界面為Si-SiO2界面。熱 載流子202沿著柵極介電層105和硅溝道區(qū)106之間的界面被俘獲，其中多數(shù)被俘獲在靠 近漏極區(qū)103的柵極介電層105內。被俘獲的熱載流子有時被稱為處于“界面態(tài)”，并可形 成空間電荷(體電荷)，隨著更多的電荷被俘獲，這些空間電荷隨時間流逝而增加。隨著時間的流逝，例如，在半導體芯片的正常使用期間，這些被俘獲的熱載流子或 者通過這些被俘獲的熱載流子形成的空間電荷會導致FET(在本實施例中為可靠性傳感器 100)的至少部分特性漂移。例如，這樣的特性包括閾值電壓(Vth)、開啟電流(Ion)和傳送 電導(gm)。例如，處于“界面態(tài)”的電子可用作庫侖散射中心兒導致其他電子的局域表面遷 移率降低和平帶電壓增大，特別是在靠近漏極區(qū)103的區(qū)域中。一旦熱載流子引起的損害 隨時間大量積累，平帶電壓的增大和局域表面遷移率的降低的組合作用會被示出或顯現(xiàn)為 總漏極電流(Ion)的顯著下降。有時將由熱載流子引起的FET器件劣化和/或不穩(wěn)定性稱 為“熱載流子效應”。有時將上述特性的漂移稱為FET器件的老化效應。簡要地參考圖4，其是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例在經受應力之前和之后場效應晶 體管的樣品測試結果的圖表。被測FET是η型CMOS-FET (NFET)，并且首先測試在受力前條件 下漏極電流與漏極電壓的關系的測量結果并將其作為實線示于圖4中。然后將FET置于應 力條件下或使其經受應力條件，并對柵極施加三伏特(3V)的電壓；對漏極施加八伏特(8V) 的電壓；并將源極接地，持續(xù)時間為十四小時(14h)。以上應力條件經過仔細設計，以模擬 在標準正向飽和操作下正常FET經過長時長且在極端情況下經過數(shù)年的可能的老化效應。 在以上應力下建立條件之后，接著再次測試FET，并在不同柵極電壓條件下且在不同漏極電 壓下測量可能的漏極電流變化。在圖4中，χ軸表示對漏極施加的電壓，y軸表示測量得到的對應的漏極電流。測 量在2V、3V、4V和6V四個不同柵極偏置電壓Ve下進行，并對正向和反向操作條件都進行測量。與在受力前條件下獲得的測試結果相比，圖4清楚出示出了當在不飽和條件下偏置FET 時，標準線性區(qū)(漏極電壓小于 2V)中的漏極電流顯著減小。該顯著減小可歸因于平帶 電壓的增加和在FET的漏極區(qū)附近的表面遷移率的降低。當在例如四(4)到五(5)伏特附近的飽和漏極電壓下和正向操作條件下偏置FET 時，漏極電流中的受到FET的應力條件影響的量看起來變得較不嚴重。這可參考圖2進行 解釋。當柵極偏置產生從夾斷點203到漏極103的耗盡區(qū)時，通常延伸跨過溝道區(qū)106而 到達漏極103的電子密度201飽和，在該飽和期間，漏極電流變?yōu)橹饕芊葱蜏系赖脑谠礃O 102和夾斷點203 (圖2)之間的部分的物理特性的控制。換言之，漏極電流的變化變?yōu)閷嶋H 上與在夾斷點203和漏極103之間的局域氧化物和界面特性無關。與不飽和條件相比，在 飽和條件下，由于熱載流子誘導的氧化物和界面損傷主要集中在夾斷點203和漏極103之 間的該耗盡區(qū)中，其對漏極電流的影響變得相對較不嚴重?；仡^參考圖2。這里，示出了漏極103附近的電子密度201顯著低于在源極102附 近的電子濃度，其甚至可以在夾斷點203之外產生耗盡區(qū)。因此，被俘獲的熱載流子202 (或 熱電子)對總漏極電流的影響通常較不明顯。圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例在反向飽和操作條件下操作的可靠性傳感器的 示意性示例。例如，本發(fā)明的實施例可包括通過使可靠性傳感器100沿反向(即，與正常操 作方向反向的方向)操作而檢測老化效應對可靠性傳感器100的漏極電流的影響。更具體 地，為了檢測由于老化效應隨時間由被俘獲熱載流子引起的溝道電流(漏極電流)的變化 或下降，通過對源極102施加電壓且使漏極103接地，可靠性傳感器100被反向偏置，并且 優(yōu)選被反向飽和偏置。如圖3所示，在該反向飽和操作條件下，電子從“源極” 103朝向“漏 極” 102流動，形成電子密度301。這里，由于在正常的正向飽和操作條件下“源極” 103實 際上是漏極而“漏極” 102實際上是源極，因此使用引號“”。根據(jù)本發(fā)明的實施例，電子密度301基本上類似于如圖2所示的正向飽和操作方 向上的電子密度201的鏡像。并從“源極” 103到“漏極” 102降低。通過使可靠性傳感器 100在與正常操作方向相反的該反向下操作，根據(jù)本發(fā)明的實施例可獲得大得多的電子密 度301。由此，通過在漏極103附近周圍的該大電子密度，可以放大由被俘獲的熱載流子302 引起的對漏極電流的影響，所述被俘獲的熱載流子302是在如圖2的正常正向飽和操作條 件期間積累的熱載流子。因此，該影響變得更容易被檢測到。如圖2和圖3分別示出的，當 可靠性傳感器100在正向和反向飽和操作條件下操作時，可察知在漏極103附近的電子密 度的顯著差異。此外，應理解，本發(fā)明的該實施例在飽和操作條件的以上方面不受限制。根據(jù)本發(fā) 明的又一實施例，也可以使用不飽和反向操作條件來檢測漏極電流的變化，這是因為即使 在不飽和操作條件下，多數(shù)情況下漏極區(qū)103附近的電子密度301將大于在正向飽和操作 條件下的情況，使得對“熱載流子”引起的影響的檢測較容易。然而，通常優(yōu)選反向飽和操 作條件，并且當使用能夠提供正向和反向偏置電壓和電流的模擬電路來考慮可靠性傳感器 100的實際實施的容易度時，更優(yōu)選使用反向飽和操作條件，該反向飽和操作條件是正向飽 和操作條件的鏡像，意味著具有基本上相同的柵極和漏極偏置電壓。再次簡要地參考圖4。與正向飽和操作條件相比，在反向飽和操作條件下的FET的 溝道漏極電流具有大得多的明顯下降，當所施加的漏極電壓的范圍在約三(3)伏特到約五(5)伏特時尤其如此。正向飽和電流和反向飽和電流的強烈不對稱特性主要是因為由在器 件正向偏置操作期間的熱載流子引起的在鄰近或靠近溝道的漏極端處的氧化物和界面的 局域化。結果，可以放大反向飽和操作條件下漏極電流(Ion)的漂移。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例采用多個可靠性傳感器和替換用FET的半導體芯片的 示意性示例。例如，半導體芯片400包括多個FET組401、402、403和404。這些FET組中 的一個或多個包括至少一個可靠性傳感器，例如用于FET組401的可靠性傳感器411和用 于FET組402的可靠性傳感器421。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，與在半導體芯片400被投 入正常使用時記錄的初始正向飽和操作電流相比，可靠性傳感器，例如可靠性傳感器411， 可以檢測到反向飽和操作電流的變化。在正常的正向飽和操作條件下經歷了一操作時長之 后，更具體地當所述變化變?yōu)榇笥诔跏颊蝻柡筒僮麟娏鞯奶囟ò俜直?例如5%到10%) 時，可靠性傳感器411可通過例如如以下參考圖6更詳細描述的其支持模擬電路而提供可 靠性警報信號?？梢曰诓僮麟娏髯兓膰乐匦远鴮υ摼瘓笮盘栠M行按比例縮放或分級， 并且在某些情況下其可指示出FET組401正接近不可接受的可靠性失效水平。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，當可靠性傳感器411檢測到與在半導體芯片400被投 入正常使用時的相同正向操作電流的初始值相比正向飽和操作電流的變化時，更具體地， 當所述變化變?yōu)榇笥诔跏贾档奶囟ò俜直?例如5%到10% )時，那么可靠性傳感器411 可提示外部指令是否用一套內置的備份FET 412替換FET組401中的部分FET，該部分FET 可以是被認為對半導體芯片400的總性能而言為關鍵性的一套預選的FET。在本發(fā)明的又 一實施例中，可靠性傳感器411可以自動地用一套內置的備份FET412來替換和/或修復所 述預選的一套FET，其中可以首先提供或不提供關鍵性的可靠性警報信號或獲得外部指令。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的支持可靠性傳感器的操作的模擬電路的示意 性示例。例如，模擬電路600可以為可靠性傳感器TO提供雙向(正向和反向)操作支持。 TO可以是η型CMOS-FET(NFET)，其可以為如以上參考圖3討論的可靠性傳感器100。在圖 6中，可以將Pl、Ρ2、m和Ν2的電壓橋設計為在“test”為邏輯低且“testb”為邏輯高時向 可靠性傳感器TO提供正向偏置電壓并在“test”為邏輯高且“testb”為邏輯低時向可靠性 傳感器TO提供反向偏置電壓。在本發(fā)明的又一實施例中，可靠性傳感器TO可以為可靠性傳 感器411(圖5)并在至少大部分時間與FET組401 (圖5)內的其可靠性正被可靠性傳感器 TO監(jiān)視的其他功能性FET —樣在正向飽和操作條件下操作。另外，使用兩對電流鏡P3-P4 和P5-P6在正向和反向操作條件下將漏極電流耦合到可靠性傳感器TO。柵極電壓Ve的量 被選擇為使可靠性傳感器TO在正向和反向操作條件下總是以飽和模式操作。模擬電路600可以包括如圖6所示的其他組件，以使可靠性傳感器TO正常操作。 例如，模擬電路600可以包括互阻抗放大器(TIA)Ul，其將輸入電流轉換為輸出電壓。此外， Ul能夠通過切換FET P7和P8而從電流鏡P3-P4或電流鏡P5-P6測量電流。在圖6中，U2 是模數(shù)轉換器(ADC)，其將來自互阻抗放大器Ul的模擬輸出電壓轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)并在數(shù)字 存儲器U3中保存該數(shù)字數(shù)據(jù)。U4是具有外部(或內部)時鐘的控制器，其產生邏輯信號 “test”和/或“testb”以控制可靠性傳感器T0，并且能夠處理在存儲器中保存的數(shù)字數(shù)據(jù) 且確定合適的測試周期。圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一實施例的操作可靠性晶體管的方法的簡化流程示例。例 如，該方法可以包括使多個場效應晶體管在第一操作條件下操作(510)。所述多個FET被制造在單個集成電路中，并且所述多個FET中的一個是可靠性傳感器。第一操作條件是正向 飽和操作條件并具有第一操作電流和第一操作電壓。該方法還包括使至少一個FET (例如， 可靠性傳感器)的操作方向反轉持續(xù)一短時長(520)。該短時長顯著短于當所述多個FET 在第一操作條件下操作時的正常時長。例如，該短時長足夠短，以便不在可靠性傳感器和剩 余的FET之間產生或引起任何可檢測到的可靠性差異。在一個實例中，該短時長可以小于 正常時長的0. 1 %，更優(yōu)選小于正常時長的0. 01 %。在本發(fā)明的一個實施例中，在所述多個FET被首次投入正常使用的時刻記錄第一 操作條件(可以為正向飽和操作條件)的初始值。正向飽和操作條件的包括操作電流和操 作電壓的初始值可以被分別用作參考電流和參考電壓，用于確定在監(jiān)視下的所述多個FET 的隨時間的可靠性，如以下更詳細地描述的。該方法還包括測量可靠性傳感器的第二操作條件(530)。當可靠性傳感器在正向 飽和操作條件或反向飽和操作條件下操作時測量第二操作條件。例如，該第二操作條件包 括第二操作電流和第二操作電壓。在一個實例中，在正向或反向操作條件下的第二操作電 壓與在正向飽和操作條件下的參考電壓基本上相同。該方法還包括計算在第一和第二操作條件之間，更具體地在第一和第二操作電 流之間的差異(540)，并且計算出的差異可以建議根據(jù)所述差異的類型而采取的與可靠性 相關的動作(action) (550)。例如，可以將超過初始操作電流的預定百分比(例如5%或 10%，或任何其他被認為合適的百分比)的正向飽和操作電流變化用作指示信號，其表明 需要修復特定的一套預選FET。該修復可以包括自動地或在收到外部指令后用一套內置的 備份FET來替換那套預選FET。此外，例如，在反向飽和操作的所述短時長期間測量的超過 初始操作電流的預定百分比(例如5%或10%，或任何其他被認為適合作為預定閾值的百 分比)的反向飽和操作電流變化可以被用于確定產生被按比例縮放的(scaled)可靠性警 報信號。雖然在此示例和描述了本發(fā)明的特定特征，但現(xiàn)在本領域的普通技術人員將想到 多種修改、替代、改變和等價物。因此，應理解，所附的權利要求旨在包容落入本發(fā)明的精神 內的所有這樣的修改和改變。
權利要求
一種方法，包括在第一操作條件下操作多個場效應晶體管(FET)；使所述多個FET中的至少一個的操作方向反轉持續(xù)一短時長；測量在所述短時長期間所述多個FET中的所述一個的第二操作條件；計算在所述第二操作條件與參考操作條件之間的差異；以及基于在所述第二操作條件和所述參考操作條件之間的所述差異而提供可靠性指示信號，其中所述多個FET被用于單個集成電路(IC)中。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述第一操作條件是具有第一操作電流和第一操作 電壓的正向飽和操作條件；所述第二操作條件是具有第二操作電流和第二操作電壓的反向 飽和操作條件；并且具有參考操作電流和參考操作電壓的所述參考操作條件是在所述多個 FET開始正常使用的時刻的所述正向飽和操作條件。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其中所述計算差異包括計算所述第二操作電流與所述參考 操作電流之間的差異，其中所述第二操作電壓與所述參考操作電壓基本上相同。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中所述提供可靠性指示信號包括比較所述第二操作電流 和所述參考操作電流之間的所述差異與預定閾值，并且提供警報信號，所述警報信號基于 所述差異離開所述預定閾值多遠而按比例縮放。
5.根據(jù)權利要求4的方法，還包括在所述多個FET開始正常使用的所述時刻記錄所述多個FET中的所述一個的所述參考 操作電流；以及將所述預定閾值設定為所述參考操作電流的百分比。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其中所述預定閾值被設定為所述參考操作電流的約10%。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述多個FET中的所述一個是可靠性傳感器，并且當所 述可靠性傳感器在所述第二操作條件下操作時的所述短時長顯著短于當所述多個FET在 所述第一操作條件下操作時的正常時長，從而所述短時長不會在所述可靠性傳感器與除了 所述可靠性傳感器之外的所述多個FET之間產生任何可檢測到的可靠性差異。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中所述短時長小于所述正常時長的0.1%。
9.根據(jù)權利要求2的方法，其中所述多個FET中所述一個是可靠性傳感器，還包括 在包括所述可靠性傳感器的所述多個FET開始正常使用的所述時刻記錄所述可靠性傳感器的所述參考操作電流；計算所述可靠性傳感器的所述第一操作電流與所述參考操作電流之間的正向-正向 差異，而所述第一操作電壓與所述參考操作電壓基本上相同；以及如果所述正向-正向差異超過預設值，則提供建議以替換所述多個 Τ中的預選的一 套 FET。
10.根據(jù)權利要求9的方法，其中所述預設值為所述參考操作電流的約10%。
11.根據(jù)權利要求9的方法，還包括自動地或者在接收到遵照所述建議的外部指令之后用一套內置的備份FET來替換所 述預選的一套FET。
12.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述多個FET具有基本上相同的尺寸和基本上相似的結構，從而隨著時間流逝而經歷基本上相同的可靠性劣化過程。
13.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述多個FET被制造為在所述單個IC中彼此緊鄰以 經歷基本上相同的環(huán)境效應。
14.一種方法，包括在包括第一操作電流和第一操作電壓的第一操作條件下操作多個場效應晶體管 (FET)；使所述多個FET中的至少一個的操作方向反轉持續(xù)一短時長； 測量在所述短時長期間所述多個FET中的所述一個的包括第二操作電流和第二操作 電壓的第二操作條件；計算在所述第二操作電流與參考操作電流之間的差異；以及基于在所述第二操作電流與所述參考操作電流之間的所述差異而提供可靠性指示信號，其中所述多個FET被用于單個集成電路(IC)中，并且所述多個FET中的所述一個為可靠性傳感器。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述參考操作電流是在所述多個FET開始正常使用 的時刻記錄的所述第一操作電流。
16.根據(jù)權利要求15的方法，其中當所述第二操作電壓被保持為與在所述多個FET開 始正常使用的所述時刻記錄的參考操作電壓基本上相同時執(zhí)行計算所述差異。
17.根據(jù)權利要求16的方法，其中所述提供可靠性指示信號包括比較所述第二操作電 流和所述參考操作電流之間的所述差異與預定閾值，并且提供警報信號，所述警報信號基 于所述差異離開所述預定閾值多遠而按比例縮放。
18.根據(jù)權利要求17的方法，其中所述預定閾值為所述參考操作電流的百分比。
19.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述多個FET中的所述一個是可靠性傳感器，并且 當所述可靠性傳感器在所述第二操作條件下操作時的所述短時長顯著短于當所述多個FET 在所述第一操作條件下操作時的正常時長，從而所述短時長不會在所述可靠性傳感器和除 了所述可靠性傳感器之外的所述多個FET之間產生任何可檢測到的可靠性差異。
20.根據(jù)權利要求19的方法，其中所述短時長小于所述正常時長的0.01%。
21.一種集成電路，包括 多個場效應晶體管(FET)；模擬電路，其適于向所述多個FET中的至少一個供應正向操作電流和反向操作電流;以及控制電路，其適于計算通過所述模擬電路測量得到的所述反向操作電流與參考操作電 流之間的差異，并適于基于所計算出的差異以與可靠性有關的動作作為響應。
22.根據(jù)權利要求21的集成電路，其中所述參考操作電流是在所述多個FET開始正常 使用的時刻記錄的所述正向操作電流。
23.根據(jù)權利要求21的集成電路，其中所述多個FET具有基本上相同的尺寸和基本上 相似的結構，從而在正常使用期間經歷基本上相同的可靠性劣化過程。
24.根據(jù)權利要求23的集成電路，其中基于所計算出的差異，所述控制電路提供警報 信號或執(zhí)行自修復功能，所述警報信號基于所計算出的差異離開預定閾值多遠而按比例縮放，所述自修復功能用一套內置的備份FET來替換所述多個FET中的預選的一套FET。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于評估集成電路的可靠性的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種方法。該方法包括在第一操作條件下操作多個場效應晶體管(FET)；使所述多個FET中的至少一個的操作方向反轉持續(xù)一短時長；測量在所述短時長期間所述多個FET中的所述一個的第二操作條件；計算在所述第二操作條件與參考操作條件之間的差異；以及基于在所述第二操作條件與所述參考操作條件之間的所述差異而提供可靠性指示信號，其中所述多個FET被用于單個集成電路(IC)中。
文檔編號G01R31/28GK101963650SQ20101022967
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權日2009年7月23日
發(fā)明者何忠祥, 馮凱棣, 陳奮 申請人:國際商業(yè)機器公司