专利名称：负偏压温度不稳定性的恢复电路和恢复方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种负偏压温度不稳定性的恢复电路和恢复方法。
背景技术：
随着半导体集成电路的集成度越来越高，对晶体管性能的要求也日益增高，因此，对于晶体管可靠性的要求随之提高。在CMOS工艺中，在对于PMOS晶体管的可靠性进行评价时，负偏压温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability, NBTI)是一个主要的评价因素。负偏压温度不稳定性是指PMOS晶体管在负偏置栅极电压和高温的作用下，PMOS晶体管的栅氧化层与衬底之间的界面处的氢硅键断裂，形成界面缺陷电荷，从而造成PMOS晶体管的阈值电压和饱和漏极电流发生漂移的现象。随着半导体器件尺寸的减小，NBTI特性也越来越明显。所述NB TI特性会使得PMOS晶体管的阈值电压(Vt)绝对值和线形区漏极电流(Idlin)的绝对值的增大，并引起饱和漏极电流和跨导绝对值的减小。这些器件参数的变化会降低PMOS晶体管的速度，并加大晶体管间的失配性，最终导致电路失效。因此，公开号为CN102024702A的中国专利文献公开了一种改进半导体器件负偏压温度不稳定性的方法，具体包括:提供半导体衬底，在所述衬底内形成N阱区，在所述半导体衬底表面形成氧化硅层，在所述栅氧化层表面形成掺杂有P型杂质离子的多晶硅层；依次刻蚀所述多晶硅层、氧化硅层，在所述半导体衬底N阱区表面形成栅极结构；在所述栅极结构两侧进行离子注入形成P型轻掺杂区；在所述栅极结构侧壁形成侧墙；对所述侧墙两侧的轻掺杂区进行离子掺杂形成P型重掺杂区，其中，在形成栅极结构，轻掺杂区、重掺杂区后，还包括，对所述半导体衬底进行氟离子注入。由于氟和硅能形成更高键能的共价键，可以减少栅氧化层和衬底之间的界面缺陷电荷数量，从而实现对NBTI特性的改善。但利用上述现有技术需要改变半导体器件的制作工艺，且形成的PMOS晶体管还是会具有NBTI特性，仍会影响器件的寿命。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种负偏压温度不稳定性的恢复电路和恢复方法，可以用于缓解PMOS晶体管的NBTI特性。为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种负偏压温度不稳定性的恢复电路，包括:待恢复晶体管和恢复单元，所述恢复单元与待恢复晶体管的栅极相连接，所述恢复单元包括:开关晶体管，用于控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态；第一电阻和第二电阻，用于调节施加在待恢复晶体管的栅极上的电压；信号输入端，用于输入第一电压或第二电压；信号输出端，所述恢复单元通过信号输出端与待恢复晶体管的栅极相连接，通过所述信号输出端控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态；
第一电压端，所述第一电压端用于提供电源电压；其中，所述开关晶体管的栅极与信号输入端相连接，所述开关晶体管的漏极与第一电压端相连接，所述开关晶体管的源极与第二电阻的一端相连接，所述第二电阻的另一端与信号输出端相连接；所述第一电阻的一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的另一端与信号输出端相连接。可选的，所述待恢复晶体管为PMOS增强型晶体管。可选的，所述PMOS增强型晶体管的衬底和源极施加有工作电压。可选的，所述开关晶体管为NMOS耗尽型晶体管。可选的，所述NMOS耗尽型晶体管的衬底连接第二电压端，所述第二电压端用于提供工作电压。可选的，所述电源电压大于工作电压。可选的，所述第一电阻和/或第二电阻的电阻值可调。可选的，所述待恢复晶体管为电路中的其中一个晶体管或用于晶体管可靠性测试的测试晶体管。本发明实施例还提供了一种利用所述负偏压温度不稳定性的恢复电路的恢复方法，包括:当所述待恢复晶体管处于正常工作状态时，将第一电压施加在所述信号输入端，使得所述开关晶体管的沟道区关闭，所述第一电压施加在待恢复晶体管的栅极上，使得所述待恢复晶体管正常工作；当所述待恢复晶体管处于恢复状态时，将第二电压施加在所述信号输入端，使得所述开关晶体管的沟道区开启，使得施加在待恢复晶体管上的栅极电压大于所述第二电压，恢复待恢复晶体管的负偏压温度不稳定性。可选的，所述第一电压为0V。可选的，所述第二电压为1.2V。可选的，所述电源电压为2.5V。与现有技术相比，本发明具有以下优点:所述负偏压温度不稳定性的恢复电路包括:所述恢复电路包括:待恢复晶体管、开关晶体管、第一电阻、第二电阻、信号输入端、信号输出端、第一电压端，所述开关晶体管的栅极与信号输入端相连接，所述开关晶体管的漏极与第一电压端相连接，所述开关晶体管的源极与第二电阻的一端相连接，所述第二电阻的另一端与信号输出端相连接；所述第一电阻的一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的另一端与信号输出端相连接。利用本发明实施例的开关晶体管来控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态，当所述开关晶体管的沟道区开启时，由于集成电路中的电源电压大于工作电压，通过调整第一电阻和第二电阻的阻值，可以使得施加在待恢复晶体管的栅极电压大于工作电压，从而能获得更好的NBTI特性恢复效果。
图1为利用不同栅极电压对PMOS晶体管的NBTI特性进行恢复的对比图2为本发明实施例的负偏压温度不稳定性的恢复电路的结构示意图；图3为本实施例的待恢复晶体管处于正常工作状态时的工作原理图；图4为本实施例的待恢复晶体管处于恢复状态时的工作原理图。
具体实施例方式发明人经过研究发现，负偏压温度不稳定性(Negative Bias TemperatureInstability, NBTI)具有明显的恢复效应。由于PMOS晶体管的沟道区开启需要施加负偏置栅极电压，所述负偏置栅极电压会使得PMOS晶体管发生NBTI效应。当所述栅极电压变大时，即所述负偏置栅极电压的绝对值变小或变为正偏置栅极电压时，PMOS晶体管能很快恢复到较正常的状态。请参考图1，为利用不同栅极电压对PMOS晶体管的NBTI特性进行恢复的一个对比图，其中，在开始的5000s时，由于PMOS晶体管的正常工作需要施加较大的负偏置栅极电压，使得PMOS晶体管的NBTI特性慢慢变得严重，线形区漏极电流(Idlin)漂移的绝对值变大。在5000s后，当所述栅极电压变大，PMOS晶体管的栅极电压从晶体管工作时的-2.2V变为-1V、_0.5V、0V、0.5V、IV，当所述栅极电压变大时，都能使得PMOS晶体管的NBTI特性恢复，线形区漏极电流(Idlin)漂移的绝对值变小，且栅极电压越大时，恢复地越明显。当栅极电压为IV时，PMOS晶体管的线形区漏极电流与最初值最接近。但由于现有的集成电路的工作电压值往往是固定的，约为IV，当PMOS晶体管在恢复模式下，直接将工作电压的高电平施加在PMOS晶体管的栅极上，由于所述栅极电压较小，不能有效地使PMOS晶体管的NBTI特性恢复。为此，发明人经过研究，提出了一种负偏压温度不稳定性的恢复电路，包括:待恢复晶体管和恢复单元，所述恢复单元与待恢复晶体管的栅极相连接，所述恢复单元包括:开关晶体管，用于控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态；第一电阻和第二电阻，用于调节施加在待恢复晶体管的栅极上的电压；信号输入端，用于输入第一电压或第二电压；信号输出端，所述恢复单元通过信号输出端与待恢复晶体管的栅极相连接，通过所述信号输出端控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态；第一电压端，所述第一电压端用于提供电源电压；其中，所述开关晶体管的栅极与信号输入端相连接，所述开关晶体管的漏极与第一电压端相连接，所述开关晶体管的源极与第二电阻的一端相连接，所述第二电阻的另一端与信号输出端相连接；所述第一电阻的一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的另一端与信号输出端相连接。利用本发明实施例的开关晶体管来控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态，当所述开关晶体管的沟道区开启时，由于集成电路中的电源电压大于工作电压，通过调整第一电阻和第二电阻的阻值，可以使得施加在待恢复晶体管的栅极电压大于工作电压，从而能获得更好的NBTI特性恢复效果。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。请参考图2，为本发明实施例的一种负偏压温度不稳定性的恢复电路的结构示意图，具体包括=PMOS增强型晶体管10 ;与所述PMOS增强型晶体管10的栅极相连接的恢复单元20，所述恢复单元20包括:NMOS耗尽型晶体管21、第一电阻22、第二电阻23、信号输入端24和信号输出端25、第一电压端26、第二电压端27，所述NMOS耗尽型晶体管21的栅极与信号输入端24相连接，所述NMOS耗尽型晶体管21的漏极与第一电压端26相连接，所述NMOS耗尽型晶体管21的衬底与第二电压端27相连接，所述NMOS耗尽型晶体管21的源极与第二电阻23的一端相连接，所述第二电阻23的另一端与信号输出端25相连接；所述第一电阻22的一端与信号输入端24相连接,所述第一电阻22的另一端与信号输出端25相连接。具体的，由于PMOS晶体管工作时，栅极电压Vgs主要为负偏置栅极电压；NM0S晶体管工作，栅极电压Vgs主要为正偏置栅极电压。由于正偏置栅极电压不会使得MOS晶体管发生负偏压温度不稳定性，因此，所述待恢复晶体管为PMOS晶体管。且与PMOS耗尽型晶体管相比，PMOS增强型晶体管在工作时栅极电压全部为负偏置，且所述栅极电压的绝对值更大，更容易造成负偏压温度不稳定性，更容易使得PMOS晶体管的阈值电压和饱和漏极电流发生漂移，会降低PMOS晶体管的速度，并加大晶体管间的失配性，最终导致电路失效。因此，在本实施例中，所述待恢复晶体管为PMOS增强型晶体管10。所述PMOS增强型晶体管10的源极和衬底与工作电压相连，所述PMOS增强型晶体管10的漏极接地，所述PMOS增强型晶体管10的栅极与所述恢复单元20的信号输出端25相连接。当所述恢复单元20的信号输出端25输出低电位时，由于栅极-衬底的偏置电压为负偏置，PMOS增强型晶体管10导通，所述PMOS增强型晶体管10处于正常的工作模式。所述PMOS增强型晶体管10可以为某个电路中的其中一个MOS晶体管，也可以为用于晶体管可靠性测试的测试晶体管。当所述PMOS增强型晶体管10的沟道区截止时，所述恢复单元20的信号输出端25输出较高电位，所述较高电位大于所述工作电压，使得所述栅极-衬底的偏置电压为正偏置，所述PMOS增强型晶体管10处于恢复模式。在本实施例中，所述开关晶体管为NMOS耗尽型晶体管21，在其他实施例中，所述开关晶体管也可以为NMOS增强型晶体管，通过改变所述NMOS增强型晶体管的衬底上施加的电压，也可以实现开关晶体管的作用。所述NMOS耗尽型晶体管21的漏极与第一电压端26相连接，所述NMOS耗尽型晶体管21的衬底与第二电压端27相连接，所述第一电压端26用于提供电源电压，所述第二电压端27用于提供工作电压。在现有技术中，集成电路的电源电压往往大于工作电压，在本实施例中，所述电源电压为2.5V，所述工作电压为1.2V，在其他实施例中，所述电源电压和工作电压也可以为其他值，且所述电源电压大于工作电压。在本实施例中，所述第一电阻22、第二电阻23、NM0S耗尽型晶体管21的源漏极串联。将工作电压通过第二电压端27施加在所述NMOS耗尽型晶体管21的衬底上，当等于工作电压的第二电压施加在信号输入端24时，由于栅极-衬底的偏置电压为0V，所述NMOS耗尽型晶体管21的沟道区开启，使得NMOS耗尽型晶体管21的源极的电压约等于电源电压，而信号输入端24的电压为工作电压,位于所述第一电阻22、第二电阻23之间的信号输出端25的电压大于工作电压，小于电源电压，可以使得施加在所述待恢复晶体管的栅极上的电压较大，所述待恢复晶体管的栅极电压大于工作电压，从而能获得更好的NBTI特性的恢复效果。且通过调整所述第一电阻和第二电阻的阻值，既能保证待恢复晶体管的栅极电压较大，提高NBTI特性的恢复效果，又能防止待恢复晶体管的栅极电压过大，容易造成栅氧化层击穿。在本实施例中，所述第一电阻和第二电阻为电阻值固定的电阻，在其他实施例中，所述第一电阻和/或第二电阻为可调电阻，可以更方便的调节待恢复晶体管的栅极电压。本发明实施例还提供了一种利用所述负偏压温度不稳定性的恢复电路的恢复方法，包括:当所述待恢复晶体管处于正常工作状态时，将第一电压施加在所述信号输入端，使得所述开关晶体管的沟道区关闭，所述第一电压施加在待恢复晶体管的栅极上，使得所述待恢复晶体管正常工作；当所述待恢复晶体管处于恢复状态时，将第二电压施加在所述信号输入端，使得所述开关晶体管的沟道区开启，使得施加在待恢复晶体管上的栅极电压大于所述第二电压，恢复待恢复晶体管的负偏压温度不稳定性。具体的，请参考图3，为本实施例的待恢复晶体管处于正常工作状态时的工作原理图。在本实施例中，所述工作电压为1.2V，电源电压为2.5V。所述第一电压为低电位，在本实施例中，所述第一电压为0V。将OV电压施加在所述信号输入端24,由于NMOS耗尽型晶体管21的衬底接有一个工作电压1.2V，使得所述NMOS耗尽型晶体管21的栅极电压反偏，所述NMOS耗尽型晶体管21的沟道区关闭，使得所述第一电压通过信号输出端25全部加载在PMOS增强型晶体管10的栅极上，如图中的箭头所示，使得所述PMOS增强型晶体管10的栅极电压为负偏压，所述PMOS增强型晶体管10正常工作，即所述待恢复晶体管正常工作。由于所述信号输入端24输入的电压和信号输出端25的输出的电压相同，由于现有技术将所述信号输入端输入的电压直接施加在PMOS增强型晶体管的栅极上，本发明实施例不需要改变信号输入端输入的电压的大小，就能使得所述待恢复晶体管正常工作。请参考图4，为本实施例的待恢复晶体管处于恢复状态时的工作原理图。在本实施例中，所述工作电压为1.2V，电源电压为2.5V。所述第二电压为工作电压，在本实施例中，所述第二电压为1.2V。将1.2V电压施加在所述信号输入端24，由于NMOS耗尽型晶体管21的衬底接有一个工作电压1.2V，使得所述NMOS耗尽型晶体管21的栅极电压零偏，所述NMOS耗尽型晶体管21的沟道区开启，电源电压通过所述NMOS耗尽型晶体管21的沟道区加载在第二电阻23靠近NMOS耗尽型晶体管21的一端，所述第二电阻23靠近NMOS耗尽型晶体管21的一端的电压约为电源电压值，由于所述第一电阻22、第二电阻23、NM0S耗尽型晶体管21的源/漏区串联而成，且所述电源电压值大于所述工作电压，通过所述第一电阻22、第二电阻23的电流如图中的箭头，使得所述第一电阻和第二电阻之间的电压值大于所述工作电压，小于所述电源电压，即施加在PMOS增强型晶体管10的栅极电压大于所述工作电压，小于所述电源电压，利用本实施例的负偏压温度不稳定性的恢复电路能获得更好的NBTI特性的恢复效果。且通过调整所述第一电阻和第二电阻的阻值，既能保证待恢复晶体管的栅极电压较大，提高NBTI特性的恢复效果，又能防止待恢复晶体管的栅极电压过大，容易造成栅氧化层击穿。综上，本发明实施例的恢复电路包括:待恢复晶体管、开关晶体管、第一电阻、第二电阻、信号输入端，所述开关晶体管的栅极与信号输入端相连接，所述开关晶体管的漏极与电源电压相连接，所述开关晶体管的源极与第二电阻的一端相连接，所述第二电阻的另一端与待恢复晶体管的栅极相连接；所述第一电阻的一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的另一端与待恢复晶体管的栅极相连接。利用本发明实施例的开关晶体管来控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态，当所述开关晶体管的沟道区开启时，由于集成电路中的电源电压大于工作电压，通过调整第一电阻和第二电阻的阻值，可以使得施加在待恢复晶体管的栅极电压大于工作电压，从而能获得更好的NBTI特性恢复效果。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于， 包括:待恢复晶体管和恢复单元，所述恢复单元与待恢复晶体管的栅极相连接，所述恢复单元包括: 开关晶体管，用于控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态； 第一电阻和第二电阻，用于调节施加在待恢复晶体管的栅极上的电压； 信号输入端，用于输入第一电压或第二电压； 信号输出端，所述恢复单元通过信号输出端与待恢复晶体管的栅极相连接，通过所述信号输出端控制所述待恢复晶体管是否处于恢复状态； 第一电压端，所述第一电压端用于提供电源电压； 其中，所述开关晶体管的栅极与信号输入端相连接，所述开关晶体管的漏极与第一电压端相连接，所述开关晶体管的源极与第二电阻的一端相连接，所述第二电阻的另一端与信号输出端相连接； 所述第一电阻的一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的另一端与信号输出端相连接。
2.如权利要求1所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于，所述待恢复晶体管为PMOS增强型晶体管。
3.如权利要求2所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于，所述PMOS增强型晶体管的衬底和源极施加有工作电压。
4.如权利要求1所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于，所述开关晶体管为NMOS耗尽型晶体管。
5.如权利要求4所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于，所述NMOS耗尽型晶体管的衬底连接第二电压端，所述第二电压端用于提供工作电压。
6.如权利要求3或5所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于，所述电源电压大于工作电压。
7.如权利要求1所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于，所述第一电阻和/或第二电阻的电阻值可调。
8.如权利要求1所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路，其特征在于，所述待恢复晶体管为电路中的其中一个晶体管或用于晶体管可靠性测试的测试晶体管。
9.一种利用如权利要求1所述的负偏压温度不稳定性的恢复电路的恢复方法，其特征在于，包括: 当所述待恢复晶体管处于正常工作状态时，将第一电压施加在所述信号输入端，使得所述开关晶体管的沟道区关闭，所述第一电压施加在待恢复晶体管的栅极上，使得所述待恢复晶体管正常工作； 当所述待恢复晶体管处于恢复状态时，将第二电压施加在所述信号输入端，使得所述开关晶体管的沟道区开启，使得施加在待恢复晶体管上的栅极电压大于所述第二电压，恢复待恢复晶体管的负偏压温度不稳定性。
10.如权利要求9所述的恢复电路，其特征在于，所述第一电压为0V。
11.如权利要求9所述的恢复电路，其特征在于，所述第二电压为1.2V。
12.如权利要求9所述的恢复电路，其特征在于，所述电源电压为2.5V。
全文摘要
一种负偏压温度不稳定性的恢复电路和恢复方法，所述恢复电路包括待恢复晶体管、开关晶体管、第一电阻、第二电阻、信号输入端、信号输出端、第一电压端，所述开关晶体管的栅极与信号输入端相连接，所述开关晶体管的漏极与第一电压端相连接，所述开关晶体管的源极与第二电阻的一端相连接，所述第二电阻的另一端与信号输出端相连接；所述第一电阻的一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的另一端与信号输出端相连接。当所述开关晶体管的沟道区开启时，由于集成电路中的电源电压大于工作电压，通过调整第一电阻和第二电阻的阻值，可以使得施加在待恢复晶体管的栅极电压大于工作电压，从而能获得更好的NBTI特性恢复效果。
文档编号H03K19/094GK103187964SQ201110459390
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者冯军宏, 甘正浩 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司