[發明專利]一種集成電路應力退化的多功能測試電路和測試方法

有效

• 申請號: 201110443476.9
• 申請日: 2011-12-27
• 公開（公告）號: CN102495352A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 黃大鳴;彭嘉;李名復
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01R31/28
• 分類號: G01R31/28
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于集成電路可靠性測試技術領域，具體涉及一種集成電路應力退化的測試電路和測試方法。

背景技術

偏壓溫度不穩定性（BTI）和熱載流子注入（HCI）是影響互補型金屬氧化物半導體場效應晶體管（CMOSFET）可靠性的兩個基本問題。對于由SiO2或者SiON柵介質構成的納米尺度CMOSFETs，pMOSFET的負偏壓溫度不穩定性（NBTI）是影響器件壽命的主要原因。但是，對于由高k柵介質構成的CMOSFETs，nMOSFET的正偏壓溫度不穩定性（PBTI）以及p和nMOSFET的HCI都對器件可靠性有重要影響。

BTI和HCI退化造成MOSFETs的驅動電流減小，或者器件延遲的增加。在CMOS電路的層次上，上述退化可以利用環形振蕩器（環振或RO）在應力后的頻率變化來表征。其中最簡單的一種測量電路是以單個RO為核心，通過控制端（OE）和電源端的電壓變化，使RO分別處在靜態應力、動態應力或者正常振蕩狀態[V.?Reddy?et?al.,?Impact?of?NBTI?on?Digital?Circuit?Reliability,?IRPS,2002,?p.248]。單RO構成的電路雖然結構簡單，但頻率變化的測量精度不高。提高測量精度的改進方法是在電路中使用兩個RO，其中一個RO作為參照，不加應力，另一個RO施加應力，通過相位比較器測量兩個RO的頻率差（Δf），從而獲得應力后RO的退化特性?[T.?H.?Kim,?R.?Persaud,?and?C.?H.?Kim,?Silicon?Odometer:?An?On-Chip?Reliability?Monitor?for?Measuring?Frequency?Degradation?of?Digital?Circuits,?IEEE?JSSC?vol.43,?p.874,?2008]。

在如上所述的測量方法中，可以結合動態應力退化（同時包含BTI和HCI）和靜態應力退化（僅包含BTI）測量結果，區分RO中CMOSFETs的BTI和HCI的退化貢獻，但無法區分CMOSFETs中pMOSFETs的NBTI和nMOSFETs的PBTI退化，也無法區分pMOSFETs和nMOSFETs的HCI退化?[J.?Keane?et?al.,?On-chip?reliability?monitors?for?measuring?circuit?degradation,?Microelectronics?Reliability,?vol.?50,?p.1039,?2010]。由于nMOSFETs的PBTI退化和pMOSFETs的NBTI退化具有不同的機理，對電路的退化或壽命模型會有不同的貢獻，因此，在電路的退化測量中區分nMOSFETs的PBTI退化和pMOSFETs的NBTI退化對預測集成電路的工作壽命是需要的。類似地，在電路中對pMOSFETs和nMOSFETs獨立地施加HCI應力，測量應力后HCI退化也是需要的。

MOSFET的BTI和HCI退化的物理原因是應力下溝道/介質之間界面缺陷（界面態）的產生和介質內部缺陷或電荷的產生。由于應力產生的界面態、介質缺陷和注入電荷（氧化層電荷）對器件的電學特性具有不同的影響，發展能夠區分應力下產生的界面態、介質缺陷和注入電荷的測量方法，對于建立MOS器件和電路的退化模型，表征器件和電路的壽命是有應用價值的。

傳統測量MOSFET界面態密度的方法是電荷泵浦（CP）的方法。這是一種外部測量方法，激勵信號由外加脈沖發生器提供，通過電纜和探針連到待測MOSFET的引出焊盤（Pad）上。這一方法用于測量納米尺度的MOSFET時遇到很大的困難。由于器件面積（W×L）太小，在常用的激勵脈沖頻率下（￡MHz），CP電流Icp太小，無法測量。如果提高激勵脈沖頻率，由于電纜、探針等測量系統的寄生效應，MOSFET的Icp會被寄生信號所掩蓋。為了解決納米尺度MOSFET的CP測量，國際上提出片上測量CP的方法?[R.?Fernandez?et?al.,?AC?NBTI?studied?in?the?1Hz-2GHz?range?on?dedicated?on-chip?CMOS?circuits,?IEDM?2006,?p.1039]，即把被測器件和產生激勵脈沖的電路集成在一起，使CP的激勵頻率可達2GHz。但上述測量方法中的被測器件還是離散的（單個器件），即被測器件不構成任何形式的電路。器件的應力退化只能通過靜態特性如IdVg和Icp來反映，無法通過器件的動態特性如延遲來反映，因此無法與電路的應用直接聯系在一起。

發明內容