專利名稱：信道熱載流子效應(yīng)測量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置的可靠度分析技術(shù)，特別是涉及一種信道熱載子效應(yīng)測量評估裝置及其方法。
當(dāng)半導(dǎo)體裝置尺寸縮減時(shí)，無可避免地會(huì)遭遇到熱載流子效應(yīng)(hot carrier effect)的問題。該熱載流子效應(yīng)不僅會(huì)影響MOS晶體管內(nèi)柵極氧化層的可靠度，電路也會(huì)因?yàn)閭鬟f延遲(propagation delay)的增加而降低操作速度，進(jìn)而影響到整個(gè)電子產(chǎn)品的使用壽命(lifetime)。
因此，如何正確地測量MOS組件內(nèi)信道熱載流子效應(yīng)，即便是可靠度分析的一大課題。美國專利第5,587,665號披露利用NMOS晶體管與PMOS晶體管組成一環(huán)式振蕩器(ring oscillator)，藉由計(jì)算傳遞延遲，據(jù)以推論電路遭受信道熱載流子效應(yīng)破壞的程度。另外，在美國專利第5,504,431號案中，是利用發(fā)光傳感器(luminescence sensor)測量CMOS的切換時(shí)間(switch time)，據(jù)以推論信道熱載流子效應(yīng)破壞的程度。
然而，在美國專利第5,587,665號案的環(huán)式振蕩器內(nèi)，由若干NMOS與PMOS晶體管所組成，假若組件間的變異程度大，則較不易精確地測量信道熱載流子效應(yīng)。至于美國專利第5,504,431號案所披露的發(fā)光傳感器，在半導(dǎo)體工藝中不太普及。
因此，本發(fā)明的目的，在于提供一種信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置及其方法，利用電源供應(yīng)器(power supply)、功能產(chǎn)生器(functiongenerator)、及電流計(jì)(current meter)等，對于CMOS反相器遭受信道熱載流子效應(yīng)前后瞬時(shí)電流進(jìn)行量測，便可精確地測量評估出信道熱載流子效應(yīng)破壞的程度。
本發(fā)明可藉由提供一種信道熱載流子效應(yīng)測量裝置來完成。此信道熱載流子效應(yīng)測量裝置適用于一CMOS反相器，CMOS反相器具有一輸入端與一輸出端。信道熱載流子效應(yīng)評量裝置包括一電源供應(yīng)器、一功能產(chǎn)生器、以及一電流計(jì)。電源供應(yīng)器是耦接至CMOS反相器，提供一電源電壓與CMOS反相器。功能產(chǎn)生器是耦接至CMOS反相器，提供一三角波信號至CMOS反相器該輸入端。電流計(jì)是與CMOS反相器串接，是于CMOS反相器經(jīng)過熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理前后，測量CMOS反相器之瞬時(shí)電流。
據(jù)此，本發(fā)明僅需利用簡單的單一CMOS反相器，并配合電源供應(yīng)器、電流計(jì)、功能產(chǎn)生器等相當(dāng)普及的測量工具，便可以精確地評量出信道熱載流子效應(yīng)破壞的程度，不失為一種兼具簡單、可靠、低成本等優(yōu)點(diǎn)的信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法。
另外，本發(fā)明還提供一種信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法。首先，提供一CMOS反相器，具有一輸入端與一輸出端。然后，提供一電源電壓予CMOS反相器，提供一三角波信號至CMOS反相器輸入端后，對CMOS反相器第一瞬時(shí)電流進(jìn)行量測。接著，對CMOS反相器施行熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理。然后，提供該電源電壓予CMOS反相器，提供該三角波信號至CMOS反相器輸入端后，量測CMOS反相器第二瞬時(shí)電流。最后，對于第一瞬時(shí)電流與第二瞬時(shí)電流差異進(jìn)行比較。
為讓本發(fā)明上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下
請參照圖2，它是顯示圖2CMOS反相器vO/vI轉(zhuǎn)移曲線。圖2中，當(dāng)輸入端電壓vI介于A點(diǎn)至B點(diǎn)之間時(shí)，因vI＜VTN，故NMOS晶體管QN是成截止?fàn)顟B(tài)，而PMOS晶體管QP是于線性區(qū)(linear region)操作。待輸入端電壓vI介于B點(diǎn)至C點(diǎn)之間時(shí)，NMOS晶體管QN于飽和區(qū)(saturation region)操作，而PMOS晶體管QP仍于線性區(qū)操作。當(dāng)輸入端電壓vI為VM(C點(diǎn)至D點(diǎn)之間)時(shí)，則NMOS晶體管QN與PMOS晶體管QP均呈飽和區(qū)操作，此電壓VM可稱之為轉(zhuǎn)換電壓(transitionvoltage)。當(dāng)輸入端電壓vI介于D點(diǎn)至E點(diǎn)之間時(shí)，PMOS晶體管QP于飽和區(qū)操作，而NMOS晶體管QN則于線性區(qū)操作。待輸入端之電壓vI介于E點(diǎn)至F點(diǎn)之間時(shí)，因VI＞(VDD+VTP)，故PMOS晶體管QP成截止?fàn)顟B(tài)，而NMOS晶體管QN于線性區(qū)操作。
由于圖2C點(diǎn)至D點(diǎn)之間，NMOS晶體管QN與PMOS晶體管QP均呈飽和區(qū)操作，故上述轉(zhuǎn)換電壓VM可如下VM=VDD+VTP+VTNkNkP1+kNkP---(1)]]>其中，kN＝μN(yùn)COXWN/LN，kP＝μPCOXWP/LP。μN(yùn)、μP分別代表電子與電洞移動(dòng)率，COX為柵極氧化層電容量，WN、WP分別代表NMOS晶體管QN與PMOS晶體管QP信道寬度，LN、LP分別代表NMOS晶體管QN與PMOS晶體管QP信道長度。
因此，轉(zhuǎn)換電壓VM可以藉由調(diào)整kN/kP之比例做改變。換句話說，可藉由調(diào)整NMOS晶體管QN與PMOS晶體管QP間長寬比(aspect ratio)(WN/LN)/(WP/LP)，即可調(diào)整轉(zhuǎn)換電壓VM之值。例如，當(dāng)kN/kP＝1，而VTN與|VTP|約略相等時(shí)，轉(zhuǎn)換電壓VM約為VDD/2；若kN/kP＞1，則轉(zhuǎn)換電壓VM＜VDD/2，而逼近于VTN；若kN/kP＜1，則轉(zhuǎn)換電壓VM＞VDD/2，而逼近于(VDD+VTP)。而根據(jù)本發(fā)明，期將轉(zhuǎn)換電壓VM調(diào)整至介于VDD/2和VTN間范圍，亦即kN/kP需大于1。
請參照圖3，它是根據(jù)本發(fā)明對一CMOS反相器30測量瞬時(shí)電流(transient current)示意圖。此CMOS反相器30可以是如同

圖1所示，包含PMOS晶體管QP與NMOS晶體管QN。PMOS晶體管QP以源極連接一電源供應(yīng)器32，接收VDD(通常為5V或3.3V電壓)。而NMOS晶體管QN以源極經(jīng)由一電流計(jì)34耦接至接地電位GND。PMOS晶體管QP與NMOS晶體管QN柵極耦接成一輸入端，PMOS晶體管QP與NMOS晶體管QN漏極耦接成一輸出端。而CMOS反相器30以輸入端連接至一功能產(chǎn)生器(function generator)36。
根據(jù)本發(fā)明，利用功能產(chǎn)生器36輸出三角波信號至CMOS反相器30輸入端處，此三角波信號全幅(full swing)可以是介于0至VDD間范圍。由三角波信號特性，會(huì)使CMOS反相器30產(chǎn)生瞬時(shí)電流。而與CMOS反相器30串接的電流計(jì)34，適可用以測量此一瞬時(shí)電流。而電流計(jì)34所測得瞬時(shí)電流平均值，可以下式表之Idd(average)=∫Idd(t)dt∫dt≈kN2(VM-VTN)3---(2)]]>此時(shí)，所測得瞬時(shí)電流平均值表為Idd1(average)。
然后，對圖3CMOS反相器30施行熱載流子應(yīng)力(stressing)，即如第4圖所示。圖標(biāo)中，是將PMOS晶體管QP之源極浮接，NMOS晶體管QN源極直接連接至接地電位GND，并施加電壓VD至CMOS反相器30輸出端、電壓VG至CMOS反相器30輸入端。此舉用以令NMOS晶體管QN發(fā)生熱載流子效應(yīng)。
接著，再將經(jīng)過熱載流子應(yīng)力處理后CMOS反相器30，如同圖3，將PMOS晶體管QP源極連接至電源供應(yīng)器32，NMOS晶體管QN源極連接至電流計(jì)34，并將CMOS反相器30的輸入端耦接至功能產(chǎn)生器36等。而由電源供應(yīng)器32提供VDD直流電壓，由功能產(chǎn)生器36提供三角波信號，再由電流計(jì)34測量瞬時(shí)電流平均值。此時(shí)，所測得瞬時(shí)電流平均值表為Idd2(average)。
最后，比較熱載流子應(yīng)力處理前后瞬時(shí)電流平均值Idd1(average)與Idd2(average)。由第(2)式可知，瞬時(shí)電流平均值的改變是源自NMOS晶體管QN門限電壓VTN變化。通常，經(jīng)過熱載流子應(yīng)力處理后NMOS晶體管QN，其臨門限電壓VTN會(huì)增加，而導(dǎo)致Idd2(average)＜Idd1(average)現(xiàn)象。因此，僅需由Idd2(average)與Idd1(average)間之差異，便可以精確地推測出CMOS反相器30遭受信道熱載流子效應(yīng)破壞的程度。
據(jù)此，本發(fā)明方法僅需利用簡單的單一CMOS反相器，并配合電源供應(yīng)器32、電流計(jì)34、功能產(chǎn)生器36等相當(dāng)普及的測量工具，便可以精確地測量評估出信道熱載流子效應(yīng)破壞的程度，不失為一種兼具簡單、可靠、低成本等優(yōu)點(diǎn)信道熱載流子效應(yīng)測量方法。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟知本領(lǐng)域技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求并結(jié)合說明書與附圖所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置，適用于一CMOS反相器，該CMOS反相器具有一輸入端與一輸出端；該裝置包括一電源供應(yīng)器，耦接至該CMOS反相器，提供一電源電壓；一功能產(chǎn)生器，耦接至該CMOS反相器，提供一三角波信號至該CMOS反相器的該輸入端；以及一電流計(jì)，與該CMOS反相器串接，是于該CMOS反相器經(jīng)過熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理前后，以該電流計(jì)測量該CMOS反相器瞬時(shí)電流。
2.如權(quán)利要求1所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置，其中，該CMOS反相器包含串接之一NMOS晶體管與一PMOS晶體管。
3.如權(quán)利要求2所述之該信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置，其中，該P(yáng)MOS晶體管以源極接收該電源電壓。
4.如權(quán)利要求2所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置，其中，該NMOS晶體管以源極耦接該電流計(jì)。
5.如權(quán)利要求2所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置，其中，該P(yáng)MOS晶體管與該NMOS晶體管同以柵極接收該三角波信號。
6.如權(quán)利要求2所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置，其中，當(dāng)于該熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理時(shí)，該P(yáng)MOS晶體管源極為浮接狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求1所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估裝置，其中，當(dāng)于該熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理時(shí)，該CMOS反相器以該輸入端耦接一第一應(yīng)力電壓、以該輸出端耦接該一第二應(yīng)力電壓。
8.一種信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法，包括下列步驟提供一CMOS反相器，該CMOS反相器具有一輸入端與一輸出端；提供一電源電壓予該CMOS反相器，提供一三角波信號至該CMOS反相器的該輸入端；測量該CMOS反相器第一瞬時(shí)電流；對該CMOS反相器施行熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理；提供該電源電壓予該CMOS反相器，提供該三角波信號至該CMOS反相器該輸入端；測量該CMOS反相器第二瞬時(shí)電流；以及比較該第一瞬時(shí)電流與該第二瞬時(shí)電流差異。
9.如權(quán)利要求8所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法，尚包括調(diào)整該CMOS反相器轉(zhuǎn)換電壓。
10.如權(quán)利要求8所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法，其中，該CMOS反相器包含串接一NMOS晶體管與一PMOS晶體管。
11.如權(quán)利要求10所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法，其中，該P(yáng)MOS晶體管以源極接收該電源電壓。
12.如權(quán)利要求10所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法，其中，該P(yáng)MOS晶體管與該NMOS晶體管同以柵極接收該三角波信號。
13.如權(quán)利要求10所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法，其中，當(dāng)于該熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理時(shí)，該P(yáng)MOS晶體管源極為浮接狀態(tài)。
14.如權(quán)利要求8所述信道熱載流子效應(yīng)測量評估方法，其中，當(dāng)于該熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理時(shí)，該CMOS反相器以該輸入端耦接一第一應(yīng)力電壓、以該輸出端耦接該一第二應(yīng)力電壓。
全文摘要
一種信道熱載流子效應(yīng)測量裝置,適用于CMOS反相器。該裝置包括:一電源供應(yīng)器、一功能產(chǎn)生器、以及一電流計(jì)。電源供應(yīng)器是耦接至CMOS反相器,向CMOS反相器提供一電源電壓。功能產(chǎn)生器耦接至CMOS反相器,向CMOS反相器的該輸入端提供一三角波信號。電流計(jì)與CMOS反相器串接,于CMOS反相器經(jīng)過熱載流子效應(yīng)應(yīng)力處理前后,測量CMOS反相器瞬時(shí)電流。
文檔編號H01L21/66GK1378255SQ0110954
公開日2002年11月6日 申請日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者陳偉梵 申請人:華邦電子股份有限公司