专利名称：用于表征器件自加热的结构和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于表征器件自加热的结构和方法，更具体而言，涉 及一种用于确定具有不同特性和在不同工作条件下的器件的温度的结构和 方法。
背景技术：
先进的微电子器件为提高的性能采用绝缘体上硅(SOI)技术，其中 器件的有源区在薄硅层中，通过掩埋氧化物(BOX)层与体硅衬底隔离。 为有源区中改善的场分布BOX提供与衬底的电隔离，但是BOX也形成了 在恶劣的工作或应力条件下热从器件向衬底耗散的主要阻挡层。结果，关 注的器件处于比环境或者衬底温度显著更高的温度。
更具体而言，器件例如FET制造在衬底上并且，如所公知的，包括沟 道、栅极和氧化物材料。在沟道至栅极结内，归因于源极电压Vs、漏极电 压Vd、以及栅极电压Vg而典型产生的自加热是明显的。例如，当将电压 施加到器件的源极、栅极和漏极时，典型地分布和程度不均匀的内部加热 开始发生。在电路的工作状态期间，还公知遍及电路的拓朴自加热是不均 匀的。
在表征和建模器件及其可靠性时，知道在特定条件下精确的器件温度 是关键的。在一种方法中，通过与关注的器件处于不同距离的多个监测器 件的温度间接计算器件温度。然而，公知器件温度依赖于所关注的器件周 围的环境(例如RX区域、STI位置、附近金属接触/线的数目，等)。因 此，利用该方法获得的温度仅对于以给定结构和环境测量的特定器件有效。 当然，该估计的温度与不同的关注的器件的温度是很不同的。
同样，利用各种模型估计产生的热，例如用于MOS晶体管的Berkeley 短沟道IGFET模型(BSIM) 。 BSIM模型近似处于特定设计阶段的电路 的内部工作。使用数学统计模型的这些模型利用电路元件的参数以帮助设 计最终的集成电路。虽然BSIM是近似集成电路内部温度的一种好方法， 但是使用近似和统计模型仅产生估计的结果，该估计的结果不能准确地说 明遍及最终的集成电路产品的截面的温度变化。
因此，在本技术领域中存在克服上述不足和限制的需要。
发明内容
在本发明的第一方面中， 一种方法包括确定给定器件的多晶栅极温度 和确定监测器件的沟道温度。所述方法还包括外推所述监测器件的沟道温 度以获得所述给定器件的沟道温度。基于所述多晶栅极温度和所述沟道温 度确定所述给定器件的温度差(AT值)。
在本发明的另一方面中，所述方法包括测量加热器件的多晶栅极温度 和通过使用亚阈值斜率确定监测器件的沟道温度。所述方法还包括外推所 述监测器件的沟道温度至离所述加热器件零距离，以便获得所述加热器件 的沟道温度。确定所述加热器件的所述沟道温度与所述多晶栅极温度之间 的温度差(AT值)。
在本发明的另 一方面中， 一种器件包括具有在其每一个端处具有至少 一个接触的多晶栅极的加热器件和与所述加热器件间隔已知距离的多个监 测器件。
图la和lb示出了根据本发明的方面的器件；
图2示出了根据本发明的图la的器件的分解图3a是示出了相对于栅极电流绘制的栅极电压的图3b是示出了栅极电阻(单位为欧姆)与多晶栅极温度的关系图4a是示出了相对于栅极电流绘制的栅极电压的图4b是示出了器件功率与多晶栅极温度的关系图5示出了根据本发明外推沟道温度至离加热器件零距离的图6a和6b图解地示出了获得监测器件的亚阈值的处理步骤；
图7是示出了根据本发明的处理的流程图；以及
图8示出了执行图7的处理的示例性环境。
具体实施例方式
本发明涉及用于表征器件自加热的结构和方法。该结构和方法表征了 多晶栅极与沟道之间跨过栅极氧化物的AT。 AT值是栅极氧化物的热特 性并且，对于第一级，不依赖器件的结构和环境。更具体而言，AT值是 在给定条件下的给定器件的栅极温度与沟道温度之间的温度差。
通过执行本发明，无论器件的结构和环境， 一旦测量出多晶栅极电阻， 可以精确地确定器件沟道温度。在实施例中，用于确定AT值的方法包括 测量加热器件的多晶栅极温度和"投影"加热器件的沟道温度。这里所描 述的方法可以用于可靠性和^:计测试目的。
图la示出了根据本发明的结构。该结构包括在Rx上的自加热器件100 和多个监测器件102。自加热器件100的多晶栅极包括在其两端处的接触 100a、 100b。配置接触100a、 100b以允许直接在器件工作期间测量依次 用于确定多晶栅极温度的多晶栅极电阻。可以通过使用4点探针结构 (Kelvin接触)改善多晶栅极电阻的测量精度，如图lb中所示该4点探 针结构在多晶栅极的每一端处需要一个附加的布线衬垫。
在实施例中，通过其亚阔值斜率确定在不同距离处的监测器件102的 沟道温度。通过外推，可以计算加热器件100的沟道温度。这样，对于给 定的栅极氧化物厚度，可以获得多晶栅极温度和沟道温度之间的厶T。通 过知道AT值， 一旦用本发明的方法直接测量出多晶栅极温度，就可以确 定在各种结构和工作条件下的器件沟道温度。
图2示出了图la的加热器件100的详细碎见图。具体而言，加热器件包 括在源极区与漏极区之间的有源沟道。多晶栅极包括两个接触100a、100b。
在图lb的实施例中，多晶栅极包括四个接触。在该两个实施例中的任一
个中，该结构为具有附加的一个或多个栅极接触的标准FET。栅极接触允 许在器件工作期间测量多晶栅极电阻，如下面更加详细的描述。
图3a是处于来自分别的加热器功率的不同栅极温下的测试器件的电 压与流过栅极的电流的关系的校准图。在该图中，器件没有被供电。在该 实例中，在下述条件下测量加热器件100的电压
V加热器-0V (室温)；
V加热器=0.2V;
V加热器-0.6V;以及
V加热器=3V。
应该理解，对于每个V力。热s加热器件100的温度是已知的。例如，在一个 非限制的示例性实例中，V加热器-0.2V时器件的温度约为30。C ，和V力。热器-3V 时器件的温度约为120。C。应该理解这里示出的电压是施加到邻近关注的 器件的加热器上的电压，并且为了示例性目的提供该电压，该电压不应解 释为本发明的限制特征。因此，应该理解使用本发明的原理可以执行其它 的电压值和用于校准的其它加热方法例如使用温度控制的卡盘。
在该校准图中，将一个柵极接触保持在Vg值(例如-2V)，同时在 Vg周围的+Z-5(hnV之间(-1.95V~-2.05V)扫描另一栅极接触；尽管本发 明还构思了其它的扫描值。同样，在测试期间保持源极和漏极电压接地， 以便在器件中存在最小的电流和因此的最小的自加热。扫描的斜率表示加 热器件100的电阻(电阻等于电压除以电流)。
图3b是多晶栅极温度与由图3a的校准确定的栅极电阻的关系图。更 具体而言，在先前图3a的校准图中获得图3b的栅极电阻例如图3a的曲 线斜率。给定多晶栅极电阻，可以使用图3b中的相互关系(因为已知每 个V力。热器的温度)确定相应的温度。也就是，由于电阻是温度的函数，因 此对于已知电阻可以使用图3a (和图3b)的校准曲线获得温度。因此， 基于图3b中的多晶栅极的R-T (电阻-温度)相互关系，在给定器件工作 条件时可以确定多晶栅极的温度。在图3b的一个实例中，栅极电阻R掩极=540欧姆时的温度约为70'C。
图4a是被供电的给定器件的电压与栅极电流的关系图。为获得该图， 在各自的工作条件下(例如在该实例中的V槲极-V漏极--lV、 -1.5V等)电流 I漏极从源极流到漏极，伴随着横跨栅极施加的小的电压降(例如在本实例 中的士50mV)。用于在确定的工作条件下确定自加热的在该给定情景中施 加的电压为
V栅极-V漏极=-IV;
V栅极-V漏极=-1.5V; V樹极-V漏极^2V;以及 V槺极V漏极=画2,5V。
应该理解提供这里示出的电压是用于示例性目的并且不应该将其解释为本 发明的限制特征。因此应该理解在本发明的原理内可以执行其它的电压值。 图4a的图的斜率表示在给定工作偏置条件下的给定器件的电阻。
图4b示出了用于图4a的给定器件的器件功率(mW)与多晶栅极温 度的关系图。如公知，器件功率等于电压乘以电流，或者V漏极xI漏极。如上 所述，使用图3b和图4a的图，可以在各种功率水平下获得器件的温度。
图5示出了绘制了多个监测器件102的沟道温度的图。更具体而言， 图5的图通过绘制在离加热器件100不同距离处的多个监测器件102的温 度表示沟道温度的投影。
如图5中所示，当监测器件102进一步远离加热器件100移动时，沟 道温度衰减(减小)。对于确定距离的监测器件102, —旦确定温度，可 以将曲线拟合到外推其至离加热器件IOO零距离的温度。零距离将代表加 热器件IOO的沟道温度。
这样，通过进行监测器件102的I漏极/V敏扫描(使用亚阈值斜率)以 测量在离加热器件100不同距离处的每一个监测器件102的沟道温度，可 以确定Rx区域中的温度分布。并且，如图5中所示意性地示出的，通过 外推曲线至离加热器件IOO零距离，可以确定加热器件100的沟道温度。 (本领域的技术人员应该认识到当器件在工作期间被偏置在恒定电压时不
能在被供电的器件上执行I漏极/V掩极扫描。同样地，不能在加热器件上执行
I漏极/v栅极43^S 。)
在实施例中，AT是多晶栅极和沟道之间横跨加热器件100的栅极氧 化物的温度差。如上所述，AT是栅极氧化物的热特性并且，对于第一级， 不依赖(基本上独立)于所涉及的器件的结构和环境。因此，无论器件的 结构和环境， 一旦测量出多晶栅极电阻，可以通过AT值精确地确定器件 的沟道温度。
一旦确定出AT值，可以使用该AT值通过仅仅测量不同结构和环境 下的多晶栅极电阻在不同工作或应力条件下获得器件的沟道温度。通过示 例性实例的方法，知道AT值，将在工作/应力条件下的给定器件的栅极温 度加AT值以得到给定器件的沟道温度。
图6a和6b图解地示出了获得监测器件的亚阈值的处理步骤。更具体 而言，图6a示出了 I漏极/V樹极扫描的典型斜率。在该示例性的非限制的实 例中，以30度的间隔绘制温度。拟合绘制的点至提供斜率和相关的值的直 线。然后，使用图6a的值以获得图6b的图，所述图6b是亚阈值与温度 的关系图。这些值为一个示例性实例，本领域的技术人员可以获得所有这 些值。
图7示出了执行根据本发明的处理步骤的流程图，可以在图8的基J出 结构中执行图7的步骤。图7等价地代表本发明的高级方块图。可以在客 户服务关系中的服务器上执行和实施图7的步骤，也可在具有传送到用户 工作站的工作信息的用户工作站上运行图7的步骤，以进行上述计算。另 外，本发明可以采取完全的硬件实施例、完全的软件实施例或者包括硬件 和软件单元的实施例的形式。如本领域的技术人员应该理解和能够执行的， 可以在图8的环境中执行软件和/或计算机程序产品。
仍参考图7,在步骤700，该处理确定加热器件的栅极电阻。如上所述， 公知对于确定的电压，栅极电阻是栅极温度的函数。在步骤705,该处理 通过绘制功率与电流的关系图确定加热器件的栅极温度。在步骤710，确 定监测器件的亚阈值斜率。在步骤715,测量在不同距离处的监测器件的
温度。在步骤720，通过外推监测器件的温度至离加热器件零距离确定加 热器件的沟道温度。在步骤725，通过从栅极温度减去沟道温度获得AT 值。如上所述，然后可以使用厶T值确定在不同工作条件/应力下的不同器 件的沟道温度。
图8示出了根据本发明的用于管理该处理的示例性环境10。到达这样 的程度，环境10包括可以执行这里所描述的处理的计算机基础结构12。 具体而言，计算机基础结构12包括这样的计算设备14，所述计算设备14 包括管理系统30，该管理系统30使计算设备14可以运转以执行这里描述 的处理。计算设备14包括处理器20、存储器22A、输入/输出(1/0)接口 24、和总线26。此外，计算设备14与外部I/O设备/资源28和存储系统 22B通信。
在本技术领域中公知， 一般而言，处理器20执行在存储器22A和/或 存储系统22B中存储的计算程序代码。当执行计算程序代码时，处理器20 可以读和/或写数据从/到存储器22A、存储系统22B、和/或I/0接口24。 总线26提供计算设备14中的每一个组件之间的通信链接。I/O设备28可 以包括使个体与计算设备14相互作用的任何设备或者使用任何类型的通 信链路使计算设备14与一个或多个其它计算设备通信的任何设备。
计算设备14可以包括能够运行在其上安装的计算机程序代码的任何 常规目的的计算制品(例如个人计算机、服务器、手持设备等)。但是， 应该理解计算设备14仅仅代表可以执行这里所描述的处理的各种可能的 等价的计算设备。到达这样的程度，在实施例中，可以通过计算制品执行 计算设备14提供的功能，所述计算制品包括常规和/或特殊目的的硬件和/ 或计算机程序代码的任何结合。在每一个实施例中，可以分别地使用标准
的编程和工程技术创建程序代码和硬件。
相似地,计算机基础结构12仅仅是用于执行本发明的各种类型的计算 机基础结构的示例。例如，在实施例中，计算机基础结构12包括两个或更 多计算设备(例如服务器集群)，所述计算设备通过任何类型的通信链接 例如网络、共享存储器等通信，以执行这里所描述的处理。此外，当执行 行这里所描述的处理时，在计算机基础结构12中的一个或多个计算设备可 以寸吏用任何类型的通信链接与计算机基础结构12外部的一个或多个其它 的计算设备通信。通信链接可以包括有线和/或无线链接的任何组合； 一种 或多种类型的网络(例如因特网、广域网、局域网、虚拟专用网等)的任 何组合；和/或利用传送技术和协议的任何组合。
在实施例中，本发明提供一种商业方法，所述商业方法在认购、广告、 和/或收费基础上进行本发明的方法步骤。也就是，服务提供者例如解决方 案整合可以提供执行这里所描述的处理。在该情况下，服务提供者可以为 一个或多个客户创造、维持、支持等执行本发明的处理步骤的计算机基础 结构。作为回报，服务提供者可以基于认购和/或收费协定接收来自客户的 付款和/或服务提供者可以接收来自向一个或多个第三方销售广告内容的 付款。
在集成电路芯片的制造中使用上述方法。制造者可以以原料晶片的形 式(也就是，作为具有多个未封装芯片的单一晶片)如棵芯片或者以封装 的形式分发产生的集成电路芯片。在后一种情况中，在单芯片封装(例如 具有附加到主板或者其它较高级载体的引线的塑料载体)中或者在多芯片 封装(例如具有单或双表面互连或者掩埋互连的陶瓷载体)中安装芯片。 在任何情况中，然后将所述芯片与其它芯片、分立电路元件、和/或其它信 号处理设备集成，作为(a)中间产品例如主板或者(b)最终产品的部分。 所述最终产品可以为包括集成电路芯片的任何产品，从玩具和其它低端应 用到具有显示器、键盘或者其它输入设备以及中央处理器的高级计算机产
虽然已经按照示例性的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员该 认识到可以修改地并且在所附权利要求的精神和范围内实践本发明。
权利要求
1.一种方法，包括以下步骤确定给定器件的多晶栅极温度；确定监测器件的沟道温度；外推所述监测器件的沟道温度以获得所述给定器件的沟道温度；以及基于所述多晶栅极温度和所述沟道温度确定所述给定器件的温度差(ΔT值)。
2. 根据权利要求l的方法，其中使用亚阈值斜率确定所述沟道温度。
3. 根据权利要求2的方法，其中通过I漏极/V樹极扫描确定所述亚阈值斜率。
4. 根据权利要求l的方法，其中所述外推包括使距离测量至离所述给 定器件零距离。
5. 根据权利要求l的方法，其中对于所述给定器件获得在给定栅极氧 化物厚度处的所述AT值。
6. 根据权利要求l的方法，其中所述厶T值是所述栅极氧化物的热特 性，其基本上不依赖于几何结构和环境。
7. 根据权利要求l的方法，其中所述给定器件为在确定所述多晶栅极 温度期间未被供电的加热器件。
8. 根据权利要求l的方法，其中通过测量横跨所述多晶栅极的电阻确 定所述多晶栅极温度。
9. 根据权利要求l的方法，还包括通过将所述AT值加到第二器件的 多晶栅极温度确定所述第二器件的沟道温度。
10. 根据权利要求l的方法，还包括在所述给定器件的所述多晶栅极 的每一个端处提供至少 一个接触。
11. 根据权利要求l的方法，其中这样确定所述多晶栅极温度，通过 在已知温度下对于一 系列电压绘制所述加热器件的电压与栅极电流的关系 以获得电阻和相对于温度绘制所述电阻以确定所述多晶栅极温度。
12. —种方法，包括以下步骤 测量未被供电的加热器件的多晶栅极温度； 通过使用亚阈值斜率确定监测器件的沟道温度；外推所述监测器件的沟道温度至离所述加热器件零距离以获得所述加 热器件的沟道温度；以及对于所述加热器件确定所述沟道温度与所述多晶栅极温度之间的温度差(zvr值)。
13. 根据权利要求12的方法，其中通过I漏极/V棚极扫描确定所述亚阈 值斜率。
14. 根据权利要求12的方法，其中对于所述加热器件获得在给定栅极 氧化物厚度处的所述AT值。
15. 根据权利要求12的方法，其中通过测量横跨所述多晶栅极的电阻 确定所述多晶栅极温度。
16. 根据权利要求12的方法，还包括通过将所述厶T值加到第二器件 的多晶栅极温度确定所述第二器件的沟道温度。
17. 根据权利要求12的方法，其中这样确定所述多晶栅极温度，通过 在已知温度下对于一系列电压绘制所述加热器件的电压与栅极电流的关系
18. 根据权利要求12的方法，其中所述加热器件包括在所述栅极的每 一个端处的至少一个接触。
19. 一种器件，包括加热器件，具有在其每一个端处具有至少一个接触的多晶栅极；和 多个监测器件，与所述加热器件间隔已知距离。
20. 根据权利要求19的器件，其中所述至少一个接触为在每一个端处 的两个接触。
全文摘要
本发明提供一种用于表征器件自加热的结构和方法。本方法包括确定给定器件的多晶栅极温度和确定监测器件的沟道温度。本方法还包括外推所述监测器件的沟道温度以获得所述给定器件的沟道温度。基于所述多栅极温度和所述沟道温度确定所述给定器件的温度差(ΔT值)。器件包括具有在其每一个端处具有至少一个接触的多晶栅极的加热器件和与加热器件间隔已知距离的多个监测器件。
文档编号G06F17/50GK101183398SQ200710140228
公开日2008年5月21日 申请日期2007年8月6日 优先权日2006年11月13日
发明者罗莎 G·拉, K·W·克尔芬巴赫, P·A·海德, 王平川 申请人:国际商业机器公司