專利名稱：克服使用壽命期間負偏壓溫度不穩(wěn)定性效應的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例提供一種用于負偏置溫度不穩(wěn)定性(NBTI)感 應閾值退化的檢測和補償?shù)脑O備和方法。
背景技術：
對于偏置條件的特定集，由于NBTI，正溝道金屬氧化物半導體 (PMOS)晶體管的閾值電壓(Vt)的數(shù)值隨時間的推移增大，這往 往使流過晶體管的電流減小。需要一種檢測Vt和器件電流的手段。 一旦了解這兩個參數(shù)的退化，下一步就要進行補償退化，以便能夠保 持在產品的工作壽命期間的器件性能。當前沒有任何一種能夠克服NBTI退化效應的有效手段(即，電 路實現(xiàn)方式)。如今，在電路模擬期間使用可靠性器件模型的特定 集，推斷因NBTI和熱載流子注入(HCI)引起的器件退化效應。結 果導致對電路進行過渡設計，以使其在壽命的開始(BOL)和壽命的 結束都工作良好。該被動手段具有挑戰(zhàn)性，原因在于由于必須滿足的 處理窗口通常更大，這使得難以對在這樣更大處理、電壓和溫度窗口 上工作的電路進行一致性設計，從而難以獲得用于所有電路(尤其是 模擬電路)的強健性設計。發(fā)明內容本發(fā)明的實施例提供了用于NBTI感應閾值退化的檢測和補償?shù)?設備和方法。所提供的半導體器件包括至少一個應力器件410、與應 力器件410的柵極節(jié)點相連的電壓源，以及至少一個具有0柵-源電 壓(Vgs)的參考器件420?？刂破?30與應力器件410和參考器件7420相連，其中控制器430對應力器件410和/或參考器件420的節(jié)點 電壓進行配置，以便反映在數(shù)字和模擬電路應用中發(fā)現(xiàn)的不同器件操 作區(qū)。此外，控制器430測量應力器件410與參考器件420之間電流 的差值，以確定在應力器件410中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化?？?制器430還調節(jié)應力器件410的輸出電源電壓，直至應力器件410的 性能與參考器件420的性能相匹配，以便解決NBTI感應閾值退化問 題?？刂破?30通過柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓對應力器件 410和/或參考器件420進行激勵。簡單電阻負載和復制負載還被提供 用于漏極節(jié)點偏置電壓的形成。另外，模擬復用器與應力器件410的 漏極節(jié)點相連，以便簡單電阻負載和/或復制負栽處在應力器件410 和/或參考器件420的漏極節(jié)點處?？刂破?30在半導體器件所處的的集成電路器件的外部，生成絕 對電流參考和/或絕對電壓參考?？刂破?30將絕對電流參考和/或絕 對電壓參考與應力器件410的電流進行比較，以確定在應力器件410 中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化。此外，控制器430對應力器件410 的巨量節(jié)點(bulk node)前向偏壓，導致Vt數(shù)值減小，以解決 NBTI感應閾值退化。提供了一種適應在半導體器件的使用壽命期間的NBTI效應的方 法。所述方法開始于對至少一個應力器件410和/或至少一個參考器 件420的節(jié)點電壓進行配置，以反映在數(shù)字和模擬電路應用中檢測到 的不同器件操作區(qū)，其中應力器件410包括應用到其柵極節(jié)點的電 壓，其中參考器件420包括0Vgs。這涉及通過柵極節(jié)點信號和漏極 節(jié)點偏置電壓激勵應力器件410和/或參考器件420。該方法使用簡單 電阻負載和/或復制負載形成漏極節(jié)點偏置電壓。此外，所述方法將模擬復用器連接至應力器件410的漏極節(jié)點，以便簡單電阻負栽和/ 或復制負栽處在應力器件410和/或參考器件420的漏極節(jié)點處。之后，該方法執(zhí)行校準模式、測量模式和調節(jié)模式。測量模式能 夠測量應力器件410與參考器件420之間電流的差值，以確定在應力
器件410中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化。測量模式還能夠在半導體 器件所處的集成電路器件的外部生成絕對電流參考和/或絕對電壓參 考，并將絕對電流參考和/或絕對電壓參考與應力器件410的電流進 行比較，以確定在應力器件410中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化。調節(jié)模式能夠對應用到應力器件410的電源電壓進行調節(jié)，直至 應力器件410的性能與參考器件420的性能相匹配，以解決NBTI感 應閾值退化。調節(jié)模式還能夠對應力器件410的巨量節(jié)點進行前向偏 置，包括降低Vt的數(shù)值，以解決NBTI感應閾值退化。因此，本發(fā)明的實施例的方面涉及如何通過直接對兩個相同 PMOS晶體管或兩個相同PMOS晶體管集的輸出電流(Ids)之差進 行監(jiān)測，間接確定對于Vt的NBTI效應。本發(fā)明的實施例的另一方 在于，使得系統(tǒng)通過提高受影響晶體管的電源電壓對NBTI感應Vt 和Ids退化進行補償，從而對NBTI感應Vt和Ids退化做出反應。結合附圖，通過后面的描述，將更好地洞悉和理解本發(fā)明實施例 的這些以及其他方面。不過，應該理解，盡管下面的描述表示出本發(fā) 明的優(yōu)選實施例以及其眾多具體細節(jié)，但僅僅出于說明目的，并不具 有限定意義。在不偏離本發(fā)明精神的條件下，許多變化和修改均可處 在本發(fā)明實施例的范圍內，本發(fā)明的實施例包括所有這樣的修改。


參照附圖，通過后面的詳細描述，將更好地理解本發(fā)明的實施 例，其中圖1的視圖表示用于通過AIds的監(jiān)測來確定和補償NBTI感應 Vt退4匕的系統(tǒng)；圖2的視圖表示電壓參考/調節(jié)器系統(tǒng)； 圖3的流程圖表示校準模式；圖4的視圖表示與控制器430相連的應力器件410， 410a， 410b 和參考器件420， 420a， 420b;以及圖5A-5B的流程圖表示用于對NBTI感應閾值退化進行檢測和補
具體實施方式
下面，將參照附圖所示以及后面說明書中詳細描述的非限定性實 施例，更進一步地解釋本發(fā)明的實施例以及其多個特征和優(yōu)點細節(jié)。 應該理解，附圖中所示特征沒有必要按比例畫出。省略了關于眾所周 知的組件和處理技術的描述，以便不會不必要地造成對本發(fā)明實施例 的模糊理解。此處所使用的示例僅僅意在便于理解可實現(xiàn)本發(fā)明實施例的方式，并能夠使本領域技術人員實現(xiàn)本發(fā)明的實施例。因此，不 應將示例視為對本發(fā)明實施例范圍的限制。因此，本發(fā)明的方面涉及如何通過直接對兩個相同PMOS晶體 管或兩個相同PMOS晶體管集的Ids之差進行監(jiān)測，間接確定對于 Vt的NBTI效應。本發(fā)明的實施例的另一方面在于，使得系統(tǒng)通過 提高受影響晶體管的電源電壓對NBTI感應Vt和Ids退化進行補 償，從而對NBTI感應Vt和Ids退化做出反應。在本發(fā)明的方面中，考慮將一個晶體管作為經歷最小(如果可 能)NBTI感應閾值退化的參考器件420。這通過Vgs近乎一直都為 0的事實來保證。此外，允許對參考器件420的漏-源電壓(Vds)進 行簡單控制，并將其設置成各個值。在此，實施例提供便于通過多個柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電 壓激勵應力器件410 (兩個相同晶體管的另一個)的靈活性?？赏ㄟ^ 在集成電路上發(fā)現(xiàn)或從芯片外獲得的任何信號激勵應力器件410的柵 極節(jié)點。合適的信號可為在"臨界或靈敏(critical or sensitive)"的 芯片上電路內包含的信號，或導致Vgs的高值延續(xù)一定時間量的信 號。后者會使NBTI效應最大化，這是由于隨著Vgs的增大該退化也 增大。在"應力模式"期間，模擬復用器允許所關心信號傳播到應力器 件410的柵極節(jié)點。通過簡單電阻負栽，或通過"復制"負載(其將作 為在芯片上別處位置發(fā)現(xiàn)的專用電路配置的復制)，產生在應力器件 410的漏極節(jié)點處的電壓。在任意情形中，模擬復用器與應力器件410的漏極節(jié)點相連，以便這些負載中任一方都能出現(xiàn)在漏極節(jié)點 處。此處，實施例的另一特征是，使得系統(tǒng)通過提高受影響晶體管的 電源電壓對NBTI感應Vt和Ids退化進行補償，從而對NBTI感應 Vt和Ids退化做出反應。這涉及使用比較器、計數(shù)器、電壓調節(jié)器 和控制邏輯/狀態(tài)機塊。用于提高電源電壓的可選實施例可以是，對 受影響晶體管的巨量節(jié)點進行前向偏置，從而降低Vt數(shù)值。此處實施例的方面(即，測量兩個PMOS晶體管之間Ids之差) 的可選方式是，去掉參考器件420，并使用外部生成和芯片上獲得的 絕對電流(或電壓)參考。該方法允許將來自應力器件410的Ids (以及最終電壓)直接與將從芯片外部進行校準的絕對電流或電壓參 考進行比較。該電路的三個操作模式是"校準模式"、"應力模式，，和"測量模 式"。應力模式包含在芯片的標準操作模式中，但更具體而言，這表 示出對應力器件410進行訓練或將其激化(stressed)。參照圖1， 參考器件420和應力器件410是相同的。參考器件420大部分時間處 于關閉。校準模式解決在該系統(tǒng)內的配置設置和測量/監(jiān)測電路的非理想行 為。它解決在掩模構建期間采用的光刻以及在制造期間的晶片處理中 固有的系統(tǒng)和隨機效應。校準模式解決了對Ids進行比較的兩個緊臨 PFET器件在Vt、遷移率(u)和氧化層厚度(tox)方面的隨機失配 偏移。它還解決了與比較器相關的輸入偏移電壓，和兩個相同電流數(shù) 模轉換器(IDAC)的Ids與所施加相同數(shù)字輸入值之間的失配問 題。校準模式提供了用于克服支持和測量電路本身的NBTI和HCI 感應退化的方法，從而保持系統(tǒng)在產品使用壽命期間的測量性能和精 確性。在校準模式期間，MUXISEL和MUX23SEL均為邏輯1,在應力模式期間，在芯片的BOL處，參考器件420和應力器件 410的漏極電壓(VDD和VDDI)分別相同。參考器件420和應力器 件410的柵極電壓(VGATE1和VGATE2)分別來自2:1模擬復用 器AMUX1和AMUX2，其中對于二者均啟用DO至Z路徑，這是由 于復用器選擇均處于邏輯0的信號MUX1SEL和MUX23SEL。在該 狀態(tài)中，在VGATE1處的電壓等于VDD，在VGATE2處的電壓等 于VGATEREPLICA信號的電壓。對于參考器件420， Vgs為0，在 此情形中，該晶體管將經歷最小至不具有NBTI退化。對于應力器件 410，若有必要的話，應用到其柵極的VGATEREPLICA電壓可從芯 片上任何地方路由，或者從芯片外獲得。參考器件420和應力器件 410的漏極電壓(IDACIOUT和IDAC20UT)分別由流過電阻和復 制電路負載的電流產生。在參考器件420漏極處的負載是簡單集成電 路電阻(Rl)。應力器件410的漏極首先與具有可忽略導通電阻的 2:1模擬復用器(AMUX3)的輸出相連接。復用器允許在應力器件 410漏極處的負栽可配置成導致簡單集成電路電阻負載(R2)或復制 電路負栽(RL1)。在應力模式中，由于MUX23SEL為邏輯0，啟 用通過AMUX3的D0至Z路徑，進而在對于應力器件410漏極的復 制負載中進行切換。復制負栽在其實現(xiàn)方式方面可有所變化，從對于 芯片上其他部分電路的精確拷貝或復制到R2。使用測量模式來確定在參考器件420與應力器件410之間NBTI 退化效應的差別。了解該差別后，對該效應進行補償。在測量模式 中，最開始有意使應用到參考器件420和應力器件410的DC偏置電 壓以及在源極節(jié)點處的負栽條件相同。應用于參考器件420和應力器 件410的源極節(jié)點處的VDD和VDI值將分別具有相同的值。由于 Rl和R2是相同的值，參考器件420和應力器件410的漏極節(jié)點 (IDACIOUT和IDAC20UT)將經歷相同加載。參考器件420的漏 極可檢測到RL1，應力器件410的漏極將檢測到R2，這是由于 MUX23SEL是啟用通過2:1模擬復用器AMUX3的Dl至Z的邏輯 1。與IDACIOUT和IDAC20UT節(jié)點相連的還分別有兩個相同的電 流輸出DAC (IDACS) ， IDAC1和IDAC2。這兩個DAC產生相同 的Ids值，這是由于對兩個DAC施加相同的數(shù)字輸入代碼。這些電 流輸出DAC允許在參考器件420的漏極節(jié)點處產生電壓，并允許對
應力器件410進行調節(jié)，從而允許將參考器件420和應力器件410放 置在任何期望的操作區(qū)中。在測量模式中，VGATE1和VGATE2處 在DAC IDAC0的控制之下，并通過流過電阻R0的IDAC0 Ids產 生。當MUX1SEL和MUX23SEL處在邏輯1電平時，通過復用器 AMUX1和AMUX2的Dl至Z路徑傳遞節(jié)點IDAC0OUT處的電 壓。DAC IDAC0和電阻R0的使用允許靈活地設置VGATE1和 VGATE2，并允許這兩個器件放置在所選操作區(qū)中。與IDACIOUT和IDAC20UT節(jié)點相連接的還有電壓比較器 (COMP1) ， COMP1用于將在其COMPIN1和COMPIN2輸入引 腳處施加的兩個模擬電壓電平進行比較，并在其COMPOUT輸出引 腳處生成數(shù)字信號，或邏輯0或邏輯1。在此情形中，如果 COMPIN1大于COMPIN2,貝'J COMPOUT為邏輯1。或者，如果 COMPIN1小于或等于COMPIN2，貝'J COMPOUT為邏輯0。測量模式是其中將MUX23SEL保持在恒定邏輯1，而 MUX1SEL按照邏輯0-1-0模式肘接(toggled)的構成一個測量周期 的設置。這些測量周期中的數(shù)個能夠順序出現(xiàn)，直至系統(tǒng)對NBTI退 化效應做出響應和補償為止。當首先進入測量模式時，MUX1SEL為 邏輯o，其中由于柵和源極均處在VDD (Vgs=0)，將參考器件420 設置在關閉狀態(tài)。沒有電流從參考器件420的漏極流出，僅流過負栽 Rl的電流是從IDAC1所提供的電流。此外，當首次在測量模式中 時，應力器件410的Vgs將是比0大的某個值，此時，VGATE2節(jié) 點的值與IDAC0OUT相同，這是由于MUX23SEL為啟用AMUX2 的D1至Z路徑的邏輯1。從而，在R2上節(jié)點IDAC20UT處的電壓 由應力器件410產生的電流以及由IDAC2產生的電流形成。在這些 條件下，在IDAC20UT處電壓比IDAC10UT處電壓大，COMP1輸 出為邏輯0。接下來，將MUX1SEL信號設置成邏輯1，從而對于參 考器件420的Vgs和對于應力器件410的Vgs是相同的。然而，如 果應力器件410已經歷NBTI退化，對于參考器件420的Ids將大于 應力器件410的Ids,在該情形中，在IDACIOUT處的電壓將大于IDA20UT處的電壓。進而，這將導致比較器COMP1輸出從邏輯0 轉變到邏輯1。接下來，將MUX23SEL信號變回邏輯1，并再次導 致IDACIOUT變得比IDA20UT小，并導致COMP1輸出從邏輯1 變回到邏輯0。以上序列完成一個測量周期，所述的情形導致在 COMP1輸出處的正脈沖。當產生正脈沖時，這表示應力器件410以 及芯片上的其他PMOS晶體管已經歷NBTI退化，需要進行補償。 如果執(zhí)行一個測量周期而在COMP1輸出處未產生正脈沖，這表示應 力器件410未經歷NBTI退化，無需進^f亍補償。將COMP1輸出處的正脈沖饋送到向上計數(shù)器(COUNTER1) 的時鐘輸入(CLK)。對于在CLK輸入處的每個脈沖，將在計數(shù)器 輸出引腳(COUNTOUT)處和NBTICOUNT信號總線上的數(shù)字值 加一。此外，還將COMP1輸出饋送到控制邏輯/狀態(tài)機塊 (CNTL1)?？稍贑NTL1控制邏輯塊內將COUNTER!進行積分。 當CNTL1在其COMPIN引腳處檢測到正脈沖時，它將在執(zhí)行另一 測量周期之前等待擬定時間量，以便允許NBTI補償電路有時間做出 反應。將NBTICOUNT總線210發(fā)送到芯片上集成電壓參考/調節(jié)系 統(tǒng)(VREG1) 200，如圖2所示。當NBTICOUNT總線210上的數(shù) 字計數(shù)值增加時，VREG1 200通過增加VDDI節(jié)點220處的模擬電 壓值而進行響應。該VDDI電壓是可想到用于芯片上其余電路、并施加其上和應力 器件410的源極節(jié)點的電源電壓。如果應力器件410經歷了退化，在 其源節(jié)點處的增大VDDI值將做出反應以補償不利效應。經過所設時 間量之后，將執(zhí)行另一測量周期，在COMP1的輸出處將出現(xiàn)正脈 沖，或者不出現(xiàn)。如果出現(xiàn)脈沖，將再次使計數(shù)器加一，導致 VREG1 200再次增加VDDI電壓。測量周期可繼續(xù)進行，直至將 VDDI值增大至克服NBTI效應為止。NBTICOUNT信號總線還可對 可使用它的其他芯片上或芯片外電路有效。NBTICOUNT是雙向數(shù) 字總線。方向性由CNTL1控制邏輯塊來確定。圖3表示校準模式300在打開電源時工作的流程圖。在步驟310
中，方法300設置參考器件420和應力器件410 (PFET)的源極電 壓。這包括，將數(shù)字雙向NBTICOUNT總線配置成輸出，并使參考 器件420的Vsource等于VDD 。設置源極電壓還包括設置 NBTICOUNT，以便應力器件410的Vsource等于最后的VDDI值。 接下來，在步驟320和330中，分別對參考器件420和應力器件410 的柵極和漏極電壓進行設置。步驟320包括，配置對于所需lout的 IDAC0，并將MUX1SEL和MUX23SEL設置為1。步驟330包括將 IDAC1和IDAC2配置成同一 Iout。參考器件420和應力器件410分 別檢測到相同的Rl和R2負載。如果COMPOUT不等于1，則在步驟340中，IDAC2DATA計 數(shù)減少。如果COMPOUT等于1，則在步驟350中，IDAC2DATA 計數(shù)增加。之后，如果COMPOUT不等于0，則校準模式返回到確 定COMPOUT是否等于1。然而，如果COMPOUT等于0,則在步 驟360中完成校準，并保存設置。步驟360包括保存對于IDAC (2:0)的IDAC (2:0)和保存NBTICOUNT。因此，本發(fā)明的實施例提供用于檢測和補償NBTI感應閾值退化 的設備和方法。如圖4所示，所提供的半導體器件400包括應力器件 410， 410a， 410b，和具有0Vgs的參考器件420， 420a， 420b。設置 與應力器件410的柵極節(jié)點相連的電壓源。如以上所述，應力器件 410經歷應力，而參考器件420不經歷?？刂破?30與應力器件410 和參考器件420相連，以便對應力器件410和/或參考器件420的節(jié) 點電壓進行配置，以便反映在數(shù)字和模擬電路應用中檢測到的不同的 器件操作區(qū)。此外，控制器430測量應力器件410與參考器件420之 間電流的差值，以便確定在應力器件410中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值 退化。如以上所述，在測量模式期間，VGATE2和VGATE1處在 DAC IDAC0的控制之下?？刂破?30還調節(jié)應力器件410的輸出電源電壓，直至應力器件 410的性能與參考器件420的性能相匹配，以便解決NBTI感應閾值 退化。如以上所述，如果應力器件410經歷了退化，則在其源極節(jié)點
處增加的VDDI值將進行反應，以便補償不利效應。測量周期可繼續(xù) 進行，直至將VDDI值增大到克服NBTI效應。此外，控制器430通 過柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓，激勵應力器件410和/或參考 器件420。如上所述，在測量模式中，最開始有意使應用到應力器件 410和參考器件420的源極和柵極節(jié)點的DC偏置電壓以及在漏極節(jié) 點處的負載條件相同。將R2和RL1設置成便于生成漏極節(jié)點偏置電壓。如以上所述， 分別由流過R2和RL1的電流產生IDAC20UT和IDACIOUT。在 參考器件420漏極處的負載為Rl。應力器件410的漏極首先與具有 可忽略導通電阻的2:1模擬復用器(AMUX3)的輸出相連。另外， 模擬復用器與應力器件410的漏極節(jié)點相連，以便R2和/或RL1處 在應力器件410和/或參考器件420的漏極節(jié)點處。如以上所述， VGATE2和VGATE1分別來自2:1模擬復用器AMUX2和 AMUX1，其中由于復用器選擇均為邏輯0的信號MUX1SEL和 MUX23SEL，對于二者啟用D0至Z路徑。此外，參考器件420和應 力器件410的漏極將檢測到R2,這是由于MUX23SEL為啟用通過 2:1模擬復用器AMUX3的Dl至Z路徑的邏輯1?？刂破?30還可在半導體器件所處的集成電路器件的外部，生成 絕對電流參考和/或絕對電壓參考。控制器430將絕對電流參考和/或 絕對電壓參考與應力器件410的電流進行比較，以確定在應力器件 410中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化。如上所述，該方法將允許將來 自應力器件410的Ids以及最終電壓直接與將從芯片外部進行校準的 絕對電流或電壓參考進行比較。此外，控制器430對應力器件410的 巨量節(jié)點前向偏壓，包括使Vt數(shù)值減小，以解決NBTI感應閾值退 化。提供了一種適用于解決在半導體器件的使用壽命期間的NBTI效 應的方法。所述方法開始于，對至少一個應力器件410和/或至少一 個參考器件420的節(jié)點電壓進行配置，以反映在數(shù)字和模擬電路應用 中檢測到的不同器件操作區(qū)，其中，應力器件410包括應用到其柵極
節(jié)點的電壓，其中參考器件420包括0Vgs。如上所述，在"應力模 式"期間，模擬復用器允許所關心信號傳播到應力器件410的柵極節(jié) 點。這涉及通過柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓激勵應力器件410 和/或參考器件420。該方法使用R2和/或RL1形成漏極節(jié)點偏置電壓。然后，所述方 法將模擬復用器連接至應力器件410的漏極節(jié)點，以便R2和/或RL1 處在應力器件410和/或參考器件420的漏極節(jié)點處。如上所述，復 用器允許在應力器件410漏極處的負載可配置成導致產生R2或 RL1。在應力模式中，由于MUX23SEL為邏輯1，啟用通過 AMUX3的D0至Z，進而在對于應力器件410漏極的復制負栽中進 行切換。復制負載在其實現(xiàn)方式方面，從對于芯片上其他部分電路的 精確拷貝或復制到R2可有所變化。之后，該方法執(zhí)行測量模式和調節(jié)模式。測量模式能夠測量應力 器件410與參考器件420之間電流的差值，以確定在應力器件410中 是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化。如上所述，這是將MUX23SEL保持 在恒定邏輯1，而MUX1SEL按照邏輯0-1-0模式肘接構成一個測量 周期的設置。這些測量周期中的數(shù)個能夠順序出現(xiàn)，直至系統(tǒng)對 NBTI退化效應做出響應和補償為止。測量模式還能夠在半導體器件 所處的集成電路器件的外部生成絕對電流參考和/或絕對電壓參考， 并將絕對電流參考和/或絕對電壓參考與應力器件410的電流進行比 較，以確定在應力器件410中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化。如上所 述，該方法將允許將來自應力器件410的Ids以及最終電壓直接與將 從芯片外部進行校準的絕對電流或電壓參考進行比較。調節(jié)模式能夠對應力器件410的輸出電源電壓進行調節(jié)，直至應 力器件410的性能與參考器件420的性能相匹配，以解決NBTI感應 閾值退化。如上所述，這涉及使用比較器、計數(shù)器、電壓調節(jié)器和控 制邏輯/狀態(tài)機塊。調節(jié)模式還可對應力器件410的巨量節(jié)點進行前 向偏置，包括降低Vt的數(shù)值，以解決NBTI感應閾值退化。圖5A-5B的流程圖分別表示用于對NBTI感應閾值退化進行檢測
和補償?shù)姆椒?00A和500B。方法500A和500B均開始于步驟 502，在此，對應力器件410和/或參考器件420的節(jié)點電壓進行配 置，以反映在數(shù)字和模擬電路應用中檢測到的不同的器件操作區(qū)，其 中，應力器件410包括應用到其柵極節(jié)點的電壓，其中，參考器件 420包括0Vgs。如上所述，應力器件410經歷應力，而參考器件420 不經歷。這涉及在步驟502中，通過柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓激 勵應力器件410和/或參考器件420。在步驟504中，使用R2和/或 RL1形成漏極節(jié)點偏置電壓。如上所述，由流過RL1和R2的電流 分別生成IDAC20UT和IDACIOUT。處在參考器件420漏極處的負 載是Rl。應力器件410的漏極首先與具有可忽略導通電阻的2:1模 擬復用器(AMUX3).的輸出相連接。在步驟506中，模擬復用器與 應力器件410的漏極節(jié)點相連，以便R2和/或RL1處在應力器件410 和/或參考器件420的漏極節(jié)點處。如上所述，VGATE1和VGATE2 分別來自2:1模擬復用器AMUX1和AMUX2，其中，對于二者均啟 用DO至Z路徑，這是由于復用器選擇信號MUX1SEL和 MUX23SEL均處于邏輯0。參考器件420和應力器件410的漏極將 檢測到R2，這是由于MUX23SEL是啟用通過2:1模擬復用器 AMUX3的Dl至Z的邏輯1。之后，執(zhí)行測量模式和調節(jié)模式。在方法500A中，在步驟510A 中測量應力器件410與參考器件420之間電流的差值，以確定在應力 器件410中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化。如上所述，這是將 MUX23SEL保持在恒定邏輯1，而MUX1SEL按照邏輯0-1-0模式肘 接構成一個測量周期的設置。這些測量周期中的數(shù)個能夠順序出現(xiàn)， 直至系統(tǒng)對NBTI退化效應做出響應和補償為止。在步驟520A中，對應力器件410的輸出電源電壓進行調節(jié)，直 至應力器件410的性能與參考器件420的性能相匹配，以解決NBTI 感應閾值退化。如上所述，這涉及使用比較器、計數(shù)器、電壓調節(jié)器 和控制邏輯/狀態(tài)機塊。 在方法500B中，在半導體器件所處的集成電路器件的外部生成 絕對電流參考和/或絕對電壓參考，并將絕對電流參考和/或絕對電壓 參考與應力器件410的電流進行比較，以確定在應力器件410中是否 出現(xiàn)NBTI感應閾值退化(步驟510B)。如上所述，該方法將允許 將來自應力器件410的Ids以及最終電壓直接與將從芯片外部進行校 準的絕對電流或電壓參考進行比較。在步驟520B中，調節(jié)模式還可 對應力器件410的巨量節(jié)點進行前向偏置，包括降低Vt的數(shù)值，以 解決NBTI感應閾值退化。因此，本發(fā)明的實施例的方面包括如何通過直接對兩個相同 PMOS晶體管或兩個相同PMOS晶體管集的Ids之差進行監(jiān)測，間 接確定對于Vt的NBTI效應。本發(fā)明的實施例的另一方面在于，使 得系統(tǒng)通過提高受影響晶體管的電源電壓對NBTI感應Vt和Ids退 化進行補償，從而對其做出反應。以上關于具體實施例的描述充分展示出本發(fā)明的一般特性，對于 在不偏離本發(fā)明基本構思的條件下，可針對各種應用對這些具體實施例進行修改和/或變化，因此，這些變化和修改應包含在所披露實施 例的等效涵義和范圍內。應該理解，此處所采用的措詞和術語出于描 述目的，不具有任何限定性。因此，盡管參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā) 明的實施例，本領域技術人員應想到，通過涵蓋在所附權利要求所限 定的精神和范圍內的修改例，可實現(xiàn)本發(fā)明的實施
權利要求
1、一種半導體器件，包括至少一個應力器件；與所述至少一個應力器件的柵極節(jié)點相連的電壓源；包括0柵-源電壓的至少一個參考器件；以及與所述應力器件和所述參考器件相連的控制器，其中所述控制器適用于對所述至少一個應力器件和所述至少一個參考器件的至少其中之一的節(jié)點電壓進行配置，以便反映不同的器件操作區(qū)；測量所述至少一個應力器件和所述至少一個參考器件之間電流的差值，以確定在所述至少一個應力器件中是否出現(xiàn)負偏置溫度不穩(wěn)定性(NBTI)感應閾值退化；以及調節(jié)所述至少一個應力器件的輸出電源電壓，以解決所述NBTI感應閾值退化。
2、 根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述控制器還用于通過 柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓，對所述至少一個應力器件和所述 至少 一個參考器件的所述至少其中之一進行激勵。
3、 根據(jù)權利要求2的半導體器件，還包括 簡單電阻負載和復制負載，其中所述簡單電阻負載和所述復制負載分別用于促使所述漏極節(jié)點偏置電壓的形成。
4、 根據(jù)權利要求3的半導體器件，還包括模擬復用器，所述模擬復用器與所述至少一個應力器件的所述至 少其中之一的漏極節(jié)點相連，以便所述簡單電阻負栽和所述復制負載 的至少其中之一處在所述至少 一個應力器件和所述至少 一個參考器件 的所述至少其中之一的漏極節(jié)點處。
5、 根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述控制器還用于對所 述至少一個應力器件的所述輸出電源電壓進行調節(jié)，直至所述至少一 個應力器件的性能與所述至少一個參考器件的性能相匹配。
6、 根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述控制器還用于在所 述半導體器件處于其上的集成電路器件的外部，生成絕對電流參考和絕對電壓參考的至少其中之一，將所述絕對電流參考和所述絕對電壓 參考的所述至少其中之一與所述至少一個應力器件的電流進行比較， 以確定在所述至少一個應力器件中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化，并 且對所述至少一個應力器件的巨量節(jié)點前向偏壓，包括減小Vt數(shù) 值，以解決所述NBTI感應閾值退化。
7、 一種半導體器件，包括 至少一個應力器件；與所述至少 一個應力器件的柵極節(jié)點相連的電壓源； 包括O柵-源電壓的至少一個參考器件；以及 與所述應力器件和所述參考器件相連的控制器，其中所述控制器 適用于對所述至少 一個應力器件和所述至少 一個參考器件的至少其 中之一的節(jié)點電壓進行配置，以便反映不同的器件操作區(qū)；測量所述至少一個應力器件和所述至少一個參考器件之間電 流的差值，以確定在所述至少一個應力器件中是否出現(xiàn)負偏置溫度不 穩(wěn)定性(NBTI)感應閾值退化；以及調節(jié)所述至少一個應力器件的輸出電源電壓，直至所述至少 一個應力器件的性能與所述至少一個參考器件的性能相匹配，以解決 所述NBTI感應閾值退化。
8、 根據(jù)權利要求7的半導體器件，其中所述控制器還用于通過 柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓，對所述至少 一個應力器件和所述 至少 一個參考器件的所述至少其中之一進行激勵。
9、 根據(jù)權利要求8的半導體器件，還包括簡單電阻負栽和復制負載，其中所述簡單電阻負載和所述復制負 載分別用于促使所述漏極節(jié)點偏置電壓的形成。
10、 根據(jù)權利要求9的半導體器件，還包括模擬復用器，與所述 至少一個應力器件的所述至少其中之一的漏極節(jié)點相連，以便所述簡 單電阻負栽和所述復制負栽的至少其中之一處在所述至少一個應力器 件和所述至少一個參考器件的所述至少其中之一的漏極節(jié)點處。
11、 一種適應在半導體器件的使用壽命期間的負偏置溫度不穩(wěn)定 性(NBTI)的效應的方法，包括對至少一個應力器件和至少一個參考器件的至少其中之一的節(jié)點 電壓進行配置，以反映不同的器件操作區(qū)，其中所述至少一個應力器 件包括應用到所述至少一個應力器件的柵極節(jié)點的電壓，并且所述至 少一個參考器件包括0柵-源電壓；測量所述至少一個應力器件與所述至少一個參考器件之間電流的 差值，以確定在所述至少一個應力器件中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退 化；以及對所述至少一個應力器件的輸出電源電壓進行調節(jié)，以解決所述 NBTI感應閾值退化。
12、 根據(jù)權利要求11的方法，其中對所述節(jié)點電壓的所述配置 包括通過柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓，對所述至少一個應力器 件和所述至少 一個參考器件的所述至少其中之一進行激勵。
13、 根據(jù)權利要求12的方法，其中所述激勵包括 使用簡單電阻負載和復制負栽的至少其中之一，形成所述漏極節(jié)點偏置電壓。
14、 根據(jù)權利要求13的方法，其中所述激勵包括將模擬復用器與所述至少 一個應力器件的所述至少其中之一的漏 極節(jié)點相連，以便所述簡單電阻負栽和所述復制負載的所述至少其中 之一處在所述至少一個應力器件和所述至少一個參考器件的所述至少 其中之一的漏極節(jié)點處。
15、 根據(jù)權利要求11的方法，其中對所述輸出電源電壓進行的 所述調節(jié)包括調節(jié)所述至少一個應力器件的所述輸出電源電壓，直至所述至少 一個應力器件的性能與所述至少 一個參考器件的性能相匹配。
16、 一種適應在半導體器件的使用壽命期間的負偏置溫度不穩(wěn)定 性(NBTI)的效應的方法，包括對至少一個應力器件和至少一個參考器件的其中一個或多個的節(jié) 點電壓進行配置，以反映不同的器件操作區(qū)，其中所述至少一個應力 器件包括應用到所述至少 一個應力器件的柵極節(jié)點的電壓，并且所述 至少一個參考器件包括0柵-源電壓；執(zhí)行測量模式，包括以下至少其中之一測量所述至少一個應力器件與所述至少一個參考器件之間電 流的差值，以確定在所述至少一個應力器件中是否出現(xiàn)NBTI感應閾 值退化；以及在所述半導體器件處于其上的集成電路器件的外部，生成絕 對電流參考和絕對電壓參考的至少其中之一，并將所述絕對電流參考 和所述絕對電壓參考的所述至少其中之一與所述至少一個應力器件的 電流進行比較，以確定在所述至少一個應力器件中是否出現(xiàn)所述NBTI感應閾值退化；以及執(zhí)行調節(jié)模式，包括以下至少其中之一對所述至少一個應力器件的輸出電源電壓進行調節(jié)，以解決 所述NBTI感應閾值退化；以及對所述至少一個應力器件的巨量節(jié)點進行前向偏置，包括降 低閾值電壓的數(shù)值，以解決所述NBTI感應閾值退化。
17、 根據(jù)權利要求16的方法，其中對所述節(jié)點電壓的所述配置 包括通過柵極節(jié)點信號和漏極節(jié)點偏置電壓，對所述至少一個應力器 件和所述至少 一個參考器件的所述至少其中之一進行激勵。
18、 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述激勵包括使用簡單電阻負載和復制負栽的至少其中之一，形成所述漏極節(jié) 點偏置電壓。
19、 根據(jù)權利要求18的方法，其中所述激勵包括 將模擬復用器與所述至少一個應力器件的所述至少其中之一的漏極節(jié)點相連，以<吏所述筒單電阻負載和所迷復制負栽的所述至少其中 之一處在所述至少 一個應力器件和所述至少 一個參考器件的所述至少 其中之一的漏極節(jié)點處。
20、 根據(jù)權利要求16的方法，其中對所述輸出電源電壓進行的 所述調節(jié)包括調節(jié)所述至少一個應力器件的所述輸出電源電壓，直至所述至少 一個應力器件的性能與所述至少 一個參考器件的性能相匹配。
全文摘要
本發(fā)明的實施例提供了用于負偏置溫度不穩(wěn)定性(NBTI)感應閾值退化的檢測和補償?shù)脑O備和方法。所提供的半導體器件包括，至少一個應力器件，對其柵極節(jié)點施加有電壓；和至少一個參考器件，具有0柵-源電壓。此外，還設有控制器，用于對應力器件和/或參考器件的節(jié)點電壓進行配置，以便反映在數(shù)字和模擬電路應用中發(fā)現(xiàn)的不同器件操作區(qū)。此外，控制器測量應力器件與參考器件之間電流的差值，以確定在應力器件中是否出現(xiàn)NBTI感應閾值退化?？刂破鬟€調節(jié)應力器件的輸出電源電壓，直至應力器件的性能與參考器件的性能相匹配，以便解決NBTI感應閾值退化問題。
文檔編號H03K17/14GK101166024SQ200710138268
公開日2008年4月23日 申請日期2007年7月31日 優(yōu)先權日2006年10月19日
發(fā)明者保羅·S.·祖喬夫斯基, 奧斯卡·C.·斯特羅哈克, 彼德·A.·陶姆布利, 斯蒂芬·G.·叔馬, 肯尼斯·J.·古德瑙, 道格拉斯·W.·克莫萊爾, 馬克·S.·斯迪杜哈 申請人:國際商業(yè)機器公司