热载流子注入测试电路及方法与流程

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种热载流子注入测试电路及方法。

背景技术：
热载流子注入（HCI，HotCarrierInjection）一直是影响半导体MOS管性能的重要因素，其直接引起MOS管性能的退化，因此，热载流子注入成为了MOS管可靠性测试的一项重要指标。MOS管的热载流子注入测试是按照电子器件工程联合委员会（JEDEC，JointElectronDeviceEngineeringCouncil）标准，施加相同应力电压时记录不同时间下所测试的MOS管性能指标的退化幅度，依据MOS管性能指标的退化幅度和寿命模型推算其在正常工作电压或1.1倍工作电压下热载流子注入测试的寿命。图1是传统的NMOS管热载流子注入测试的电路结构及施加测试电压的时序示意图。参考图1，NMOS管N11是被选择进行测试的样品，将其衬底与源极均连接到地。进行测试前，NMOS管N11处于工作状态下，即NMOS管N11栅极和漏极两端的电压均为工作电压（operatingvoltage）Vop。测试时，在t1时刻至t2时刻期间，对NMOS管N11的栅极和漏极同时施加应力电压（stressvoltage）Vstress；在t2时刻至t3时刻期间，对NMOS管N11的栅极和漏极施加的电压由应力电压Vstress变为工作电压Vop，在此期间，检测NMOS管N11的漏极饱和电流；在t3时刻至t4时刻之间，再次对NMOS管N11的栅极和漏极施加应力电压Vstress。重复上述测试过程，施加应力电压Vstress的累计时间不断增加，检测到的NMOS管N11漏极饱和电流也随之发生变化，通过计算可以得到NMOS管N11的漏极饱和电流衰减幅度随时间变化的关系。图2是采用图1所示测试电路测试NMOS管漏极饱和电流衰减结果示意图。参考图2，横轴表示测试时间（s），即施加应力电压的累计时间，纵轴表示NMOS管漏极饱和电流衰减幅度（%），图中的三组曲线是按照传统方法测试在三个直流应力电压（1.4V、1.5V和1.6V）下的漏极电流衰减幅度、并对漏极饱和电流衰减幅度对应的离散点进行拟合得到，每组曲线包括对两个NMOS管样品进行测试得到的两条曲线。根据测试得到的曲线，可以推算NMOS管在正常工作电压下的寿命。通常，将MOS管漏极饱和电流衰减幅度为10%作为失效判据。采用热载流子注入测试可以预测MOS管热载流子注入寿命，即对所测试的MOS管进行热载流子注入直至其器件参数失效，所耗费的时间就是器件的失效时间，根据失效时间和寿命模型就可以计算MOS管热载流子注入寿命。然而，随着半导体制作工艺进入深亚微米时代，MOS管尺寸等比例缩小时，器件工作电压并没有相应等比例减小。在小尺寸器件中，电路的横向尺寸越来越小，导致沟道长度减小，利用传统方法对MOS管进行热载流子注入测试，不同MOS管样品的测试结果存在很大差异，如图3所示。因此，传统的热载流子注入测试方法，存在不同MOS管样品的测试差异，导致在评估MOS管热载流子注入寿命时准确度不高。为了提高评估MOS管热载流子注入寿命的准确度，可以增加测试样品的数量，测试样品数量的增加势必要增加测试时间。因此，提供一种测试时间短、准确度高的MOS管热载流子注入寿命的评估方法就成了一个亟待解决的问题。更多关于MOS管热载流子注入测试的技术方案可以参考公开号为US2011193586、发明名称为AlternatingCurrent(AC)StressTestCircuit,MethodforEvaluatingACStressInducedHotCarrierInjection(HCI)Degradation,andTestStructureforHCIDegradationEvaluation（交流应力测试电路、交流应力评估热载流子注入退化的方法以及热载流子注入退化评估的测试结构）的美国专利申请文件。

技术实现要素：
本发明解决的是传统热载流子注入测试中因不同样品测试差异导致的NMOS管热载流子注入寿命评估准确度低、测试时间长的问题。为解决上述问题，本发明提供了一种热载流子注入测试电路，包括至少三个依次相连的测试单元，所述测试单元的数量为奇数，每个测试单元包括：一个二极管、一个PMOS管和一个NMOS管；在每个测试单元中，所述PMOS管栅极连接所述NMOS管栅极和所述二极管阴极，所述PMOS管漏极连接所述NMOS管漏极，所述PMOS管源极连接所述PMOS管衬底作为第一电源端，所述NMOS管源极连接所述NMOS管衬底作为第二电源端，所述二极管阳极作为控制端；第一个测试单元中的NMOS管栅极作为输入端，最后一个测试单元中的NMOS管漏极作为输出端，所述输入端连接输出端，后一个测试单元中的NMOS管栅极连接前一个测试单元中的NMOS管漏极。可选的，所述测试单元的数量小于30000。可选的，所述PMOS管和NMOS管的沟道长度相等。基于上述热载流子注入测试电路，本发明还提供了一种热载流子注入测试方法，包括：执行变化关系获得步骤，以获得在预定时间内所述NMOS管的阈值电压变化量和应力电压施加的累计时间之间的变化关系；根据所述变化关系获得所述NMOS管热载流子注入寿命；其中，所述变化关系获得步骤包括：测量所述输出端产生信号的初始频率；测量所述初始频率期间，所述控制端处于悬空状态，所述输入端和第一电源端连接工作电压，所述第二电源端接地线电压；多次施加电压值相同的应力电压至所述控制端；施加所述应力电压期间，所述输入端和第一电源端处于悬空状态，所述第二电源端接地线电压；在每次施加应力电压至所述控制端之后，测量所述输出端产生信号的阶段频率；测量所述阶段频率期间，所述控制端处于悬空状态，所述输入端和所述第一电源端连接工作电压，所述第二电源端接地线电压；根据每个阶段频率和所述初始频率的差值获得所述NMOS管的阈值电压变化量，以及在预定时间内所述NMOS管的阈值电压变化量和应力电压施加的累计时间的变化关系。可选的，所述根据每个阶段频率和所述初始频率的差值获得所述NMOS管的阈值电压变化量包括：根据ΔVTHN=Δf/kn获得所述NMOS管的阈值电压变化量，ΔVTHN为所述NMOS管的阈值电压变化量，Δf为所述阶段频率和所述初始频率的差值，kn为所述NMOS的与材料和工艺有关的参数。可选的，所述预定时间为10000秒。可选的，所述根据所述变化关系获得所述NMOS管热载流子注入寿命符合电子器件工程联合委员会标准。可选的，所述根据所述变化关系获得所述NMOS管热载流子注入寿命包括：根据所述变化关系获得拟合参数；根据所述变化关系和失效阈值电压变化量确定所述NMOS管的失效时间，所述失效阈值电压变化量为所述NMOS管失效的阈值电压变化量判据；根据所述失效时间和拟合参数，利用热载流子注入寿命模型计算所述NMOS管热载流子注入寿命。可选的，所述热载流子注入测试方法还包括：当根据所述变化关系和失效阈值电压变化量无法确定所述NMOS管的失效时间，则改变所述应力电压的电压值，重复执行所述变化关系获得步骤。可选的，所述热载流子注入测试方法还包括：改变所述应力电压的电压值，重复执行所述变化关系获得步骤。可选的，所述应力电压的取值范围为1V～10V。可选的，所述工作电压的取值范围为0.5V～5V。与现有技术相比，本发明技术方案提供的热载流子注入测试电路和方法，同时对多个NMOS管样品施加直流应力电压后，测量由NMOS管样品和PMOS管组成的环形振荡器电路输出信号的振荡频率变化量，并根据环形振荡器电路输出信号的振荡频率变化量计算NMOS管样品的阈值电压变化量，根据JEDEC标准计算出NMOS管热载流子注入寿命。由于本技术方案提供的热载流子注入测试电路和方法，同时采用了多个NMOS管样品进行测试，既节约了测试时间，又减小了因不同NMOS管样品产生的测试差异，提高了评估NMOS管热载流子注入寿命的准确度。附图说明图1是传统的NMOS管热载流子注入测试的电路结构及施加测试电压的时序示意图；图2是传统方法测试NMOS管漏极饱和电流衰减结果示意图；图3是传统方法测试小尺寸NMOS管漏极饱和电流衰减结果示意图；图4是本发明实施例的热载流子注入测试电路图；图5是本发明实施方式的热载流子注入测试方法流程示意图；图6是本发明实施例的NMOS管阈值电压变化量与阶段频率和初始频率的差值关系示意图；图7是本发明实施例的NMOS管阈值电压变化量和应力电压施加的累计时间之间的变化关系图。具体实施方式正如

背景技术：
中所描述的，计算MOS管热载流子注入寿命，需要通过对MOS管施加应力电压获得MOS管的失效时间。随着半导体制作工艺的发展，MOS管尺寸越来越小，沟道长度减小，利用传统方法对MOS管进行热载流子注入测试，测试不同的样品获得的MOS管失效时间有很大的差异，导致评估MOS管热载流子注入寿命的准确度不高。本技术方案的发明人经过研究，提供了一种测试时间短、对MOS管热载流子注入寿命的评估准确度高的热载流子注入测试电路和方法。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。下面结合图4对本发明实施例的热载流子注入测试电路进行详细说明。所述热载流子注入测试电路包括至少三个依次相连的测试单元，所述测试单元的数量为奇数，每个测试单元包括：一个二极管、一个PMOS管和一个NMOS管。所述NMOS管为需要进行热载流子注入测试的样品，所述PMOS管用于进行辅助测试。在本实施例中，所述PMOS管和所述NMOS管的沟道长度相等，所述测试单元的数量可以小于30000。在每个测试单元中，所述PMOS管栅极连接所述NMOS管栅极和所述二极管阴极，所述PMOS管漏极连接所述NMOS管漏极，所述PMOS管源极连接所述PMOS管衬底作为第一电源端，所述NMOS管源极连接所述NMOS管衬底作为第二电源端，所述二极管阳极作为控制端。需要说明的是，每个测试单元的控制端可以独立存在，输入相同的控制信号，也可以是每个测试单元的控制端都连接在一起后输入一个控制信号，在本实施例中，每个测试单元的控制端都连接在一起。例如，图4所示的热载流子注入...