一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及方法
【专利摘要】本发明是有关于一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及方法，该系统包括：一P通道金属氧化物半导体晶体管，具有一源极连接至一电源；以及一电压控制电路，配置以输出一第一电压位准与一第二电压位准，第一电压位准与第二电压位准相异，且第一电压位准低于电源电压，其中当P通道金属氧化物半导体晶体管开启时，第一电压位准将施加于P通道金属氧化物半导体晶体管的基体，而当P通道金属氧化物半导体晶体管关闭时，第二电压位准将施加于P通道金属氧化物半导体晶体管的基体。本发明还提供了一种抑制负偏压高温不稳定性的方法。藉此，本发明能够抑制金属氧化物半导体晶体管中的负偏压高温不稳定性，进而改善与提升电路效能。
【专利说明】一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及方法
[0001] 本申请是申请日为2009年06月30日、申请号为200910151528. 8、发明名称为"一 种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及方法"的专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及一种集成电路设计，特别是涉及一种藉由使用动态基体偏压，以提升P 通道金属氧化物半导体晶体管的元件效能与负偏压高温不稳定性的可靠度的抑制负偏压 高温不稳定性的动态基体偏压系统及方法。
【背景技术】
[0003] 对于深次微米互补金氧半导体而言，尤其是P通道金属氧化物半导体晶体管，负 偏压高温不稳定性（Negative Bias Temperature Instability ;NBTI)是影响元件可靠度 的一项重要因素。一般认为，负偏压高温不稳定性的劣化是由界面陷阱所产生，而界面陷阱 即为不饱和的硅悬键。而反应-扩散模型为其中一个能完善解释负偏压高温不稳定性的物 理模型。此模型提出界面陷阱的产生是由于Si-SiO2界面上的空穴所引起的电化学反应。 在初期时，劣化反应速率是可控制的，然而经过一段时间后，此现象转变为扩散限制。另外， 负偏压高温不稳定性是由空穴陷阱机制引起临界电压发生偏移所造成的现象，其中空穴陷 阱机制是指空穴困住于陷阱状态之中。
[0004] 负偏压高温不稳定性一直与深次微米互补金氧半导体的发展有关，但是由于以往 操作于低电场下，因此负偏压高温不稳定性被视为不具有很大的影响性。然而，由于目前工 艺尺寸的持续微缩，导致多个影响因素彼此相互加乘，进而使得负偏压高温不稳定性成为 考量深次微米晶体管的可靠度中最重要的关键因素。其中，因尺寸规格的微缩所引发的一 些工艺趋势，包含引入氮化氧化层（用以降低P+多晶硅P型金氧半场效晶体管中的硼离子 穿透效应）、栅极氧化层电场的加强及操作温度的提高，都使得负偏压高温不稳定性的重要 性更加突显。
[0005] 由此可见，上述现有的深次微米互补金氧半导体的元件可靠度受到负偏压高温不 稳定性的影响，使其在使用上，存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改善。为了解决上述 存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被 发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关 业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压 系统及方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，克服现有的深次微米互补金氧半导体的元件可靠度受到负偏 压高温不稳定性的影响，而提供一种新的抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及 方法，所要解决的技术问题是使其能够抑制P通道金属氧化物半导体晶体管中的负偏压高 温不稳定性，进而改善与提升电路效能，非常适于实用。
[0007] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出 的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其至少包含：一 P通道金属氧化物 半导体晶体管，具有一源极连接至一电源；以及一电压控制电路，配置以输出一第一电压位 准与一第二电压位准，该第一电压位准与该第二电压位准相异，且该第一电压位准低于该 电源电压，其中当该P通道金属氧化物半导体晶体管开启时，该第一电压位准将施加于该P 通道金属氧化物半导体晶体管的一基体，而当该P通道金属氧化物半导体晶体管关闭时， 该第二电压位准将施加于该P通道金属氧化物半导体晶体管的该基体。
[0008] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0009] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其中所述的电压控制 电路连接至该电源。
[0010] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其中所述的第二电压 位准等于该电源电压。
[0011] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其中所述的第二电压 位准高于该电源电压。
[0012] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其中所述的第一电压 位准为该电源电压的二分之一。
[0013] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其中所述的第二电压 位准为该电源电压的一又二分之一。
[0014] 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的 一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其至少包含：一 P通道金属氧化物半 导体晶体管，具有一源极连接至一电源；以及一电压控制电路，配置以输出一第一电压位准 与一第二电压位准，该第一电压位准与该第二电压位准相异，且该第一电压位准低于该电 源电压，该第二电压位准等于该电源电压，其中当该P通道金属氧化物半导体晶体管开启 时，该第一电压位准将施加于该P通道金属氧化物半导体晶体管的一基体，当该P通道金属 氧化物半导体晶体管关闭时，该第二电压位准将施加于该P通道金属氧化物半导体晶体管 的该基体，且该电压控制电路连接至该电源。
[0015] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0016] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其中所述的第一电压 位准为该电源电压的二分之一。
[0017] 本发明的目的及解决其技术问题另外再采用以下技术方案来实现。依据本发明提 出的一种抑制负偏压高温不稳定性的方法，用于P通道金属氧化物半导体晶体管，该方法 包括以下步骤：提供一电源至一 P通道金属氧化物半导体晶体管的一源极；当该P通道金 属氧化物半导体晶体管开启时，对该P通道金属氧化物半导体晶体管的一基体施加一第一 电压位准，其中该第一电压位准低于该电源电压；以及当该P通道金属氧化物半导体晶体 管关闭时，对该P通道金属氧化物半导体晶体管的该基体施加一第二电压位准，其中该第 二电压位准与该第一电压位准相异。
[0018] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0019] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的方法，其中所述的第二电压位准等于或高 于该电源电压位准。
[0020] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的方法，其中所述的第一电压位准等于该电 源电压位准的二分之一。
[0021] 前述的一种抑制负偏压高温不稳定性的方法，其中所述的第二电压位准等于该电 源电压位准的一又二分之一。
[0022] 本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目 的，本发明提供了一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及方法，用以抑制P 通道金属氧化物半导体晶体管中的负偏压高温不稳定性。系统包含P通道金属氧化物半导 体晶体管与电压控制电路，其中P通道金属氧化物半导体晶体管的源极连接至电源，电压 控制电路，配置以输出第一电压位准与第二电压位准。上述的第一电压位准与第二电压位 准相异，且第一电压位准低于电源电压，第二电压位准等于或高于电源电压，其中当P通道 金属氧化物半导体晶体管开启时，第一电压位准将施加于P通道金属氧化物半导体晶体管 的基体，当P通道金属氧化物半导体晶体管关闭时，第二电压位准将施加于P通道金属氧化 物半导体晶体管的基体。
[0023] 借由上述技术方案，本发明一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及 方法至少具有下列优点及有益效果：本发明用以动态偏压于P通道金属氧化物半导体晶体 管的基体，来减缓负偏压高温不稳定性所造成的元件驱动电流退化现象，并让具有P通道 金属氧化物半导体晶体管的电路的效能得以提升。
[0024] 综上所述，本发明是有关于一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及 方法，用以抑制P通道金属氧化物半导体晶体管中的负偏压高温不稳定性。此系统包含P 通道金属氧化物半导体晶体管与电压控制电路，其中P通道金属氧化物半导体晶体管的源 极连接至电源，而电压控制电路，则配置以输出第一电压位准与第二电压位准。上述的第一 电压位准与第二电压位准相异，且第一电压位准低于电源电压，第二电压位准等于或高于 电源电压，其中当P通道金属氧化物半导体晶体管开启时，第一电压位准将施加于P通道金 属氧化物半导体晶体管的基体，当P通道金属氧化物半导体晶体管关闭时，第二电压位准 将施加于P通道金属氧化物半导体晶体管的基体。本发明还提供了一种抑制负偏压高温不 稳定性的方法。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、 实用的新设计。
[0025] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够 更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是一般传统基体连接方式的互补金氧半导体反向转换器的电路方框图；
[0027] 图2是本发明一较佳实施例的具有电源控制电路的互补金氧半导体反向转换器 的电路方框图；
[0028] 图3是根据经验数据所绘示的因应力所导致的P通道金属氧化物半导体晶体管驱 动电流的劣化现象的对应关系图。
[0029] 100 :互补金氧半导体反向转换器
[0030] 110 :P通道金属氧化物半导体晶体管
[0031] 120 :N通道金属氧化物半导体晶体管
[0032] 200 :具有电源控制电路的互补金氧半导体反向转换器
[0033] 210 :P通道金属氧化物半导体晶体管
[0034] 215:电源控制电路
[0035] 310 :趋势线
[0036] 320 :趋势线
[0037] 33〇 :趋势线
【具体实施方式】
[0038] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系 统及方法其【具体实施方式】、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
[0039] 有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实 施例的详细说明中将可清楚呈现。通过【具体实施方式】的说明，当可对本发明为达成预定目 的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与 说明之用，并非用来对本发明加以限制。
[0040] 本发明揭露一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统及其方法，用以动 态偏压于P通道金属氧化物半导体晶体管的基体，来减缓负偏压高温不稳定性所造成的元 件驱动电流退化现象，并让具有P通道金属氧化物半导体晶体管的电路的效能得以提升。
[0041] 根据负偏压高温不稳定性的反应扩散模型，界面陷阱密度的增加量（ANit)可表 示为：
[0042] AN, (t) ~ 3 cxp(2^"v /3)[D0 cxp(-En /kT)]1 V 方程式 I
[0043] 其中N。为最大可用的硅氢键（Si-H)浓度、Dtl为扩散系数、Em为氧化层载子引致 电场、Ed为中性氢气（H2)扩散的活化能、而T则为温度。
[0044] 氧化层载子引致电场的计算方式如下：
【权利要求】
1. 一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其特征在于，其至少包含： 一 P通道金属氧化物半导体晶体管，包含一源极、一漏极以及一栅极，其中该源极连接 至一第一电源，该漏极连接至一输出端，而该栅极直接连接至一输入端以接收该输入端所 输出的一输入信号； 一 N通道金属氧化半导体晶体管，包含一源极、一漏极以及一栅极，其中该源极连接至 一第二电源，该漏极连接至该输出端，而该栅极直接连接至该输入端以接收该输入端所输 出的该输入信号；以及 一电压控制电路，电性f禹接于该输入端，配置以根据该输入端的该输入信号来输出一 第一电压位准与一第二电压位准，其中所述的第一电压位准为该第一电源电压的二分之 一，所述的第二电压位准高于该第一电源电压，其中当该P通道金属氧化物半导体晶体管 开启时，该N通道金属氧化半导体晶体管关闭，该第一电压位准将施加于该P通道金属氧化 物半导体晶体管的一基体，而当该P通道金属氧化物半导体晶体管关闭时，该N通道金属氧 化半导体晶体管开启，该第二电压位准将施加于该P通道金属氧化物半导体晶体管的该基 体。
2. 根据权利要求1所述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其特征 在于，其中所述的电压控制电路连接至一电源。
3. 根据权利要求1所述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其特征 在于，其中所述的第二电压位准为该第一电源电压的一又二分之一。
4. 根据权利要求1所述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其特征 在于，其中该第二电压位准的电压值范围为高于该第一电源电压的二分之一至该第一电源 电压的一又二分之一。
5. -种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其特征在于，其至少包含： 一 P通道金属氧化物半导体晶体管，包含一源极、一漏极以及一栅极，其中该源极连接 至一第一电源，该漏极连接至一输出端，而该栅极直接连接至一输入端以接收该输入端所 输出的一输入信号； 一 N通道金属氧化半导体晶体管，包含一源极、一漏极以及一栅极，其中该源极连接至 一第二电源，该漏极连接至该输出端，而该栅极直接连接至该输入端以接收该输入端所输 出的该输入信号；以及 一电压控制电路，电性f禹接于该输入端，配置以根据该输入端的该输入信号来输出一 第一电压位准与一第二电压位准，其中所述的第一电压位准为该第一电源电压的二分之 一，所述的第二电压位准高于该第一电源电压，其中当该P通道金属氧化物半导体晶体管 开启时，该N通道金属氧化半导体晶体管关闭，该第一电压位准将施加于该P通道金属氧化 物半导体晶体管的一基体，当该P通道金属氧化物半导体晶体管关闭时，该N通道金属氧 化半导体晶体管开启，该第二电压位准将施加于该P通道金属氧化物半导体晶体管的该基 体，且该电压控制电路连接至该第一电源。
6. 根据权利要求5所述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其特征 在于，其中所述的第二电压位准为该第一电源电压的一又二分之一。
7. 根据权利要求5所述的一种抑制负偏压高温不稳定性的动态基体偏压系统，其特征 在于，其中该第二电压位准的电压值范围为高于该第一电源电压的二分之一至该第一电源 电压的一又二分之一。
8. -种抑制负偏压高温不稳定性的方法，用于一集成电路，该集成电路包含一 P通道 金属氧化物半导体晶体管与一 N通道金属氧化半导体晶体管，其特征在于，该方法包括以 下步骤： 提供一第一电源至该P通道金属氧化物半导体晶体管的一源极，并由一输入端以提供 一输入信号至该P通道金属氧化物半导体晶体管的一栅极，其中该P通道金属氧化物半导 体晶体管的该栅极直接连接至该输入端； 提供一第二电源至该N通道金属氧化半导体晶体管的一源极，并由该输入端以提供该 输入信号至该N通道金属氧化物半导体晶体管的一栅极，其中该N通道金属氧化物半导体 晶体管的该栅极直接连接至该输入端； 当该P通道金属氧化物半导体晶体管开启时，该N通道金属氧化半导体晶体管关闭，根 据该输入信号对该P通道金属氧化物半导体晶体管的一基体施加一第一电压位准，其中所 述的第一电压位准等于该第一电源电压位准的二分之一；以及 当该P通道金属氧化物半导体晶体管关闭时，该N通道金属氧化半导体晶体管开启，根 据该输入信号对该P通道金属氧化物半导体晶体管的该基体施加一第二电压位准，其中所 述的第二电压位准等于或高于该第一电源电压位准。
9. 根据权利要求8所述的一种抑制负偏压高温不稳定性的方法，其特征在于，其中所 述的第二电压位准等于该第一电源电压位准的一又二分之一。
10. 根据权利要求8所述的一种抑制负偏压高温不稳定性的方法，其特征在于，其中该 第二电压位准的电压值范围为高于该第一电源电压的二分之一至该第一电源电压的一又 二分之一。
【文档编号】G05F3/20GK104391537SQ201410674269
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2009年6月30日 优先权日:2008年10月29日
【发明者】吴伟豪, 欧东尼 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司