[發(fā)明專利]IC退化管理電路、系統(tǒng)和方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710214288.6
• 申請(qǐng)日: 2017-04-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107450010A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 康伯堅(jiān);張智賢;周文升;彭永州
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01R31/28
• 分類(lèi)號(hào): G01R31/28
• 代理公司: 北京德恒律治知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11409
• 代理人: 章社杲,李偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及IC退化管理電路系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

由于CMOS技術(shù)已接近其基礎(chǔ)物理限制，所以集成電路(IC)設(shè)計(jì)行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。工藝可行性、泄漏功耗和器件可靠性問(wèn)題已出現(xiàn)并引起了嚴(yán)重關(guān)注，其抵消了傳統(tǒng)器件縮放所帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)。尤其是，隨著器件尺寸和電壓裕度的縮小，由偏置溫度不穩(wěn)定性(BTI)和熱載流子注入(HCI)等器件可靠性問(wèn)題所引起的參數(shù)偏移或電路故障變得越來(lái)越嚴(yán)重。最近，有關(guān)老化的電路退化已成為芯片設(shè)計(jì)者的新挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诖饲吧徇m度、工作容限充足的系統(tǒng)中，其影響并不明顯。但是，現(xiàn)代芯片中的更高的電壓壓力和升高的溫度提高了電路老化程度，從而在高性能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思考中顯得越來(lái)越重要。此外，高介電常數(shù)/金屬柵極器件等工藝改進(jìn)帶來(lái)了新的包括N型器件中的正-BTI(PBTI)等的退化問(wèn)題，從而加入到已經(jīng)很復(fù)雜的老化行為中。

IC設(shè)計(jì)(例如，三維(3D)IC設(shè)計(jì))中的主要問(wèn)題是確保可靠性和質(zhì)量。由于老化和退化所引起的故障會(huì)影響IC組件的可靠性和質(zhì)量。已知故障機(jī)制的示例包括：(1)電遷移(EM)：電子和金屬原子在互連線上的定向傳輸導(dǎo)致退化和最終故障；(2)隨時(shí)間電介質(zhì)擊穿(TDDB)：由于持續(xù)應(yīng)用電場(chǎng)造成柵極氧化層耗盡，可導(dǎo)致柵極氧化物和襯底之間電短路；(3)熱載流子注入(HCI)：獲得了足夠動(dòng)能的電子克服勢(shì)壘到達(dá)柵極氧化層，并導(dǎo)致閾值電壓變化(shift)和性能退化；(4)負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性(NBTI)：柵極氧化層中所捕獲的空穴導(dǎo)致閾值電壓變化。負(fù)柵極電壓和正柵極電壓之間的切換導(dǎo)致性能退化和從NBTI退化恢復(fù)；(5)應(yīng)力遷移(SM)：由于金屬膨脹率之間的差異所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致該故障；以及(6)熱循環(huán)(CT)：室溫的溫度循環(huán)造成二氧化硅層中的疲勞積累。環(huán)形振蕩器是包括奇數(shù)個(gè)邏輯門(mén)的器件，其輸出在兩個(gè)電壓電平之間振蕩(表示true和false的邏輯門(mén))。邏輯門(mén)通常連接成鏈，鏈中的最后一個(gè)邏輯門(mén)的輸出反饋至第一邏輯門(mén)。高溫是導(dǎo)致晶體管過(guò)早老化和退化的原因之一。環(huán)形振蕩器用作晶圓級(jí)的溫度傳感器，以通過(guò)利用振蕩頻率和溫度之間的線性關(guān)系來(lái)監(jiān)測(cè)晶體管老化。此外，可使用環(huán)形振蕩器來(lái)檢測(cè)和測(cè)量由PMOS HCI、PMOS BTI、NMOS HCI和NMOS BTI等各種AC應(yīng)力和DC應(yīng)力所導(dǎo)致的老化和退化。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種IC退化管理傳感器，包括：奇數(shù)個(gè)第一邏輯門(mén)，電連接為環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，每個(gè)第一邏輯門(mén)具有輸入和輸出，其中，每個(gè)第一邏輯門(mén)進(jìn)一步包括：第一PMOS晶體管；第一NOMS晶體管；和第二邏輯門(mén)，具有輸入和輸出，其中，所述第二邏輯門(mén)的輸入是所述第一邏輯門(mén)的輸入；其中，所述第一PMOS晶體管和所述第一NMOS晶體管的漏極電連接到所述第二邏輯門(mén)的輸出，并且所述第二邏輯門(mén)的輸出是所述第一邏輯門(mén)的輸出。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于退化管理的系統(tǒng)，包括：管理單元，包括處理器；多個(gè)管芯，電連接到所述管理單元，每個(gè)管芯包括傳感器，所述傳感器被配置用于測(cè)量所述傳感器中的至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)的至少一個(gè)電特征；多條信號(hào)線，將所述多個(gè)管芯中的每個(gè)與所述管理單元電連接，其中，所述多個(gè)管芯之間共用每條信號(hào)線，以便將所述至少一個(gè)電特征傳送至所述管理單元；以及多條控制線，將所述管理單元與所述多個(gè)管芯電連接，以進(jìn)行通信。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于退化管理的方法，所述方法包括以下步驟：從多個(gè)管芯中的所選的一個(gè)管芯處測(cè)量應(yīng)力參數(shù)的第一實(shí)例；在第一應(yīng)力時(shí)段內(nèi)對(duì)所選管芯的IC退化管理傳感器應(yīng)用應(yīng)力模式設(shè)置；在所述第一應(yīng)力時(shí)段后，對(duì)于所選管芯的IC退化管理傳感器切換為測(cè)量模式設(shè)置；在所述第一應(yīng)力時(shí)段后測(cè)量所述應(yīng)力參數(shù)的第二實(shí)例；并且生成所選管芯的預(yù)測(cè)壽命值。

附圖說(shuō)明

結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明，可更好地理解本發(fā)明的各方面。值得注意的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)踐，許多功能件并非按比例繪制。實(shí)際上，為論述清楚，各功能件的尺寸可任意增加或減少。

圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的退化管理系統(tǒng)的框圖。

圖2A是根據(jù)一些實(shí)施例的包含奇數(shù)個(gè)反相器級(jí)的環(huán)形振蕩器的示意圖。

圖2B是根據(jù)一些實(shí)施的圖2A中所示的環(huán)形振蕩器中的反相器的示意圖。

圖3是示出根據(jù)一些實(shí)施例的施加到圖2A中所示環(huán)形振蕩器的AC應(yīng)力的示圖。

圖4A是示出根據(jù)一些實(shí)施例的施加到圖2B中所示的反相器的應(yīng)力模式1AC應(yīng)力的示意圖。