专利名称：Mos器件阈值电压波动性的测量电路及测量方法
技术领域：
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及ー种MOS器件阈值电压波动性的测量电路及测量方法。
背景技术：
对于MOS器件而言，当Si和SiO2界面电子浓度等于空穴浓度吋，MOS器件处于临界导通的状态，此时器件的栅电压定义为阈值电压Vth，它是MOSFET的重要參数之一。可以证明νΓΗ=ΦΜ,+2Φρ+%^·式中ΦΒ是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差的电压值，ΦΡ = (kT/q) In(NsubAii)，k是波尔兹曼常数，T是温度值，Iii是本征电子浓度，q是电子电荷，Nsub是衬底的掺杂浓度，Qdep是耗尽区的电荷，Cox是单位面积的栅氧化层电容。可见MOS管的阈值电压与许多因素有夫，包括衬底的掺杂浓度、氧化层的厚度、构成栅的材料、以及氧化层和界面的陷阱密度。在MOS器件的制备过程中，需要精确控制以上各种变量，才能制造出有相同器件參数如阈值电压的M0SFET。由于MOS器件制备エ艺的分散性，使得所得到器件的特征參数具有一定的离散度，随着工艺技术的不断提高，制备エ艺的特征尺寸不断縮小，这种因制备エ艺引入的波动性逐渐增加，在可靠性研究領域引起越来越多的关注。例如器件制造过程中通常通过向沟道区注入杂质来调整阈值电压，而杂质的注入量无法控制完全相同，进入nm量级的氧化层厚度无法做到ー模一祥，氧化层和界面的陷阱密度更加难以精确控制。因此，不同批次或者同一硅片不同位置处的MOS器件的阈值电压将存在一定的偏差。目前，随着集成电路设计复杂度的提高，所包含MOS器件的数目也不断増加，MOS器件关键參数的波动性对于集成电路性能的影响越来越大，因此，測定MOS器件阈值电压的统计分布十分必要。通常的办法是通过建立在I-V特性曲线测量上的恒定电流法、线性区法、跨导法等推算得到每个器件的阈值电压，再统计出MOS器件阈值电压的分布，这种方法需要对单个MOS器件的转移特性进行单独測量，并进行相应的參数提取，由于统计分布需要的测试器件的结构复杂度较高，因此需要耗费的时间也比较长。

发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何降低测试器件结构的复杂度，并减少測量所耗费的时间。(ニ)技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了ー种MOS器件阈值电压波动性的測量电路，所述测量电路包括类型相同的待测MOS管和标准MOS管，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接。
优选地，所述待测MOS管为PMOS管MPl时，所述标准MOS管为PMOS管MP2，所述PMOS管MPl的源端及衬底分别与电源电压VDD相连，所述PMOS管MPl的漏端与所述PMOS管MP2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端0UT，所述PMOS管MP2的栅端与漏端相连。优选地，所述待测MOS管为NMOS管MNl时，所述标准MOS管为NMOS管MN2，所述NMOS管MNl的源端及衬底分别接地，所述NMOS管MNl的漏端与所述NMOS管MN2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端0UT，所述NMOS管MN2的漏端与栅端相连。本发明还公开了ー种基于所述的测量电路的測量方法，所述测量方法包括以下步骤SI 向所述待测MOS管和标准MOS管的栅端分别提供第一预设电压Vbl和第二预设电压Vb2，以使得所述待测MOS管和标准MOS管均工作在饱和区；S2 :计算所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差；S3 :将所述待测MOS管换为当前组待测MOS器件中的其他MOS管，并重复执行步骤SI S2，直至所述当前组待测MOS器件中的所有MOS管均被选中过，以获得MOS器件阈值电压的波动性。优选地，所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差通过以下公式计算，Vth2-Vthl — Vgs2-Vgsi其中，Ves2= Vb2-V0UT,VGS1 = Vbl-VDD, Vthl 为所述待测 MOS 管的阈值电压为，Vth2 为所述标准MOS管的阈值电压，Vesi为所述待测MOS管的栅源电压，Vgs2为所述待测MOS管的栅源电压，Vout为输出端OUT的电压，VDD为电源电压，Vbl为第一预设电压，Vb2为第二预设电压。(三)有益效果本发明通过串联连接的待测MOS管和标准MOS管来測量待测MOS管的阈值电压的波动性，降低了测试器件结构的复杂度，并减少了測量所耗费的时间。


图I是按照本发明ー种实施例的MOS器件阈值电压波动性的測量电路的结构示意图；图2是按照本发明另一种实施例的MOS器件阈值电压波动性的測量电路的结构示意图；图3是具有1000个MOS管的MOS器件的实际阈值电压分布图；图4是通过图I所示的測量电路进行测量时，获得的Vtot的电压分布图；图5是实际及测量的分布密度曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进ー步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明的測量电路包括类型相同的待测MOS管和标准MOS管(此处的类型相同指当待测MOS管为PMOS管时，标准MOS管也为PMOS管；当待测MOS管为NMOS管时，标准MOS管也为NMOS管)，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接图I是按照本发明ー种实施例的MOS器件阈值电压波动性的測量电路的结构示意图；參照图I，所述待测MOS管为PMOS管MPl时，所述标准MOS管为PMOS管MP2，所述PMOS管MPl的源端及衬底分别与电源电压VDD相连，所述PMOS管MPl的漏端与所述PMOS管MP2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端0UT，所述PMOS管MP2的栅端与漏端相连。图2是按照本发明另一种实施例的MOS器件阈值电压波动性的測量电路的结构示意图；參照图2，所述待测MOS管为NMOS管丽I时，所述标准MOS管为NMOS管丽2，所述NMOS管MNl的源端及衬底分别接地，所述NMOS管MNl的漏端与所述NMOS管MN2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端0UT，所述NMOS管MN2的漏端与栅端相连。本发明还公开了ー种基于所述的测量电路的測量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤SI 向所述待测MOS管和标准MOS管的栅端分别提供第一预设电压Vbl和第二预设电压Vb2，以使得所述待测MOS管和标准MOS管均工作在饱和区；S2 :计算所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差；S3 :将所述待测MOS管换为当前组待测MOS器件(即MOS管)中的其他MOS管，并重复执行步骤SI S2，直至所述当前组待测MOS器件中的所有MOS管均被选中过，以获得MOS器件阈值电压的波动性。当所述待测MOS管和标准MOS管均为PMOS管时，通过在MPl和MP2的栅端施加直流电压，保证两管工作在饱和态，利用MOS晶体管串联电流相等，以及PMOS管饱和电流公式为^=- UpCox -r~(YGs~^th )2
Z Lp式中，μ p是空穴的迁移率，Wp和Lp是PMOS管的宽度和长度，Vgs是MOS管的栅源电压，Vth是MOS管的阈值电压，Cox是单位面积的栅氧化层电容。当所述待测MOS管和标准MOS管均为NMOS管时，NMOS管饱和电流公式为
I W=- ^ncOX γ1 (^GS ~ Kh 式中，μ 是空穴的迁移率，Wn和Ln是NMOS管的宽度和长度。因两管串联，必有Ipl = Ip2或Inl = In2，其中，Ipl为MPl的电流，Ip2为ΜΡ2的电流，Inl为丽I的电流，In2为丽2的电流，考虑到两管的尺寸相同，由PMOS管和NMOS管的饱和电流公式推得Vcsi-Vthl — Vcs2-Vth2根据上述推理可知，所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差通过以下公式计算，Vth2-Vthl — Vgs2-Vgsi其中，Ves2= Vb2-V0UT,VGS1 = Vbl-VDD, Vthl 为所述待测 MOS 管的阈值电压为，Vth2 为所述标准MOS管的阈值电压，Vesi为所述待测MOS管的栅源电压，Vgs2为所述待测MOS管的栅源电压，Vout为输出端OUT的电压，VDD为电源电压，Vbl为第一预设电压，Vb2为第二预设电压。所述待测管和标准管的阈值电压差则直接体现在VOUT的变化上。实施例I本实施例中以待测MOS管和标准MOS管均为65nmエ艺下的PMOS管串联来说明。如图I中所示，在MPl管的栅端施加Vbl的直流电压，在MP2管的栅端及漏端施加Vb2的直流电压。要使电路能够实现测试MPl管与MP2管阈值差异的正常功能，必须保证两管均工作在饱和区。考虑到65nmエ艺下的PMOS管的通常阈值在O. 4V左右，且电源电压VDD =
I.2V，因此 Vbl = 700mV, Vb2 = 200mV。因MP2管的栅端与漏端相连，必定工作在饱和状态，MPl管的Vesi = O. 7-1. 2=-O. 5V，保证管子导通。因两管串联，必有Ipl = Ip2，考虑到两管的尺寸相同，由饱和电流公式推得VGS1-Vthl = Vcs2-Vth2O考虑到同一批生产的MOS管的阈值只有小的波动，因此在此测试中两管的阈值电压差别不大(小于IOmV)，所以Ves2 = Vb2-Vom与Vesi差别不大，接近-O. 5V,Vout的电压可以保证MPI管也工作在饱和区，整个测试电路可以正常工作，其中，Vtot为图I或2中的OUT端的输出值。下面以该电路为例给出仿真结果及分析。利用HSPICE的65nmエ艺库对本实施例的电路进行仿真，分别测试了沟道长度为80nm，100nm的PMOS管，其中宽长比均为W/L = 4/1。Λん是MPl相对于MP2的阈值差。表I L = 80nm, W/L = 4/1的测试电路仿真结果
权利要求
1.ー种MOS器件阈值电压波动性的測量电路，其特征在于，所述测量电路包括类型相同的待测MOS管和标准MOS管，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接。
2.如权利要求I所述的测量电路，其特征在于，所述待测MOS管为PMOS管MPl时，所述标准MOS管为PMOS管MP2，所述PMOS管MPl的源端及衬底分别与电源电压VDD相连，所述PMOS管MPl的漏端与所述PMOS管MP2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端OUT,所述PMOS管MP2的栅端与漏端相连。
3.如权利要求I所述的测量电路，其特征在于，所述待测MOS管为NMOS管匪I时，所述标准MOS管为NMOS管MN2，所述NMOS管MNl的源端及衬底分别接地，所述NMOS管MNl的漏端与所述NMOS管MN2的源端及衬底分别相连、且将连接点作为输出端0UT，所述NMOS管丽2的漏端与栅端相连。
4.ー种基于权利要求I 3中任一项所述的测量电路的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤 51向所述待测MOS管和标准MOS管的栅端分别提供第一预设电压Vbl和第二预设电压Vb2，以使得所述待测MOS管和标准MOS管均工作在饱和区； 52:计算所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差； 53:将所述待测MOS管换为当前组待测MOS器件中的其他MOS管，并重复执行步骤SI S2，直至所述当前组待测MOS器件中的所有MOS管均被选中过，以获得MOS器件阈值电压的波动性。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述待测MOS管相对于所述标准MOS管的阈值电压差通过以下公式计算， Vth2_Vthl — VgS2_VgS1 其中，Vgs2 = Vb2-V0UT, Vgsi = Vbl-VDD, Vthl为所述待测MOS管的阈值电压为，Vth2为所述标准MOS管的阈值电压，Vesi为所述待测MOS管的栅源电压，Vgs2为所述待测MOS管的栅源电压，Vout为输出端OUT的电压，VDD为电源电压，Vbl为第一预设电压，Vb2为第二预设电压。
全文摘要
本发明公开了一种MOS器件阈值电压波动性的测量电路及测量方法，涉及集成电路技术领域，所述测量电路包括类型相同的待测MOS管和标准MOS管，所述待测MOS管和标准MOS管串联连接。本发明通过串联连接的待测MOS管和标准MOS管来测量待测MOS管的阈值电压的波动性，降低了测试器件结构的复杂度，并减少了测量所耗费的时间。
文档编号G01R19/00GK102645569SQ20121008379
公开日2012年8月22日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者何燕冬, 张兴, 张钢刚, 洪杰 申请人:北京大学