[发明专利]克服使用寿命期间负偏压温度不稳定性效应的方法和设备

说明书

技术领域

本发明的实施例提供一种用于负偏置温度不稳定性(NBTI)感应阈值退化的检测和补偿的设备和方法。

背景技术

对于偏置条件的特定集，由于NBTI，正沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管的阈值电压(Vt)的数值随时间的推移增大，这往往使流过晶体管的电流减小。需要一种检测Vt和器件电流的手段。一旦了解这两个参数的退化，下一步就要进行补偿退化，以便能够保持在产品的工作寿命期间的器件性能。

当前没有任何一种能够克服NBTI退化效应的有效手段(即，电路实现方式)。如今，在电路模拟期间使用可靠性器件模型的特定集，推断因NBTI和热载流子注入(HCI)引起的器件退化效应。结果导致对电路进行过渡设计，以使其在寿命的开始(BOL)和寿命的结束都工作良好。该被动手段具有挑战性，原因在于由于必须满足的处理窗口通常更大，这使得难以对在这样更大处理、电压和温度窗口上工作的电路进行一致性设计，从而难以获得用于所有电路(尤其是模拟电路)的强健性设计。

发明内容

本发明的实施例提供了用于NBTI感应阈值退化的检测和补偿的设备和方法。所提供的半导体器件包括至少一个应力器件410、与应力器件410的栅极节点相连的电压源，以及至少一个具有0栅-源电压(Vgs)的参考器件420。控制器430与应力器件410和参考器件420相连，其中控制器430对应力器件410和/或参考器件420的节点电压进行配置，以便反映在数字和模拟电路应用中发现的不同器件操作区。此外，控制器430测量应力器件410与参考器件420之间电流的差值，以确定在应力器件410中是否出现NBTI感应阈值退化。控制器430还调节应力器件410的输出电源电压，直至应力器件410的性能与参考器件420的性能相匹配，以便解决NBTI感应阈值退化问题。

控制器430通过栅极节点信号和漏极节点偏置电压对应力器件410和/或参考器件420进行激励。简单电阻负载和复制负载还被提供用于漏极节点偏置电压的形成。另外，模拟复用器与应力器件410的漏极节点相连，以便简单电阻负载和/或复制负载处在应力器件410和/或参考器件420的漏极节点处。

控制器430在半导体器件所处的的集成电路器件的外部，生成绝对电流参考和/或绝对电压参考。控制器430将绝对电流参考和/或绝对电压参考与应力器件410的电流进行比较，以确定在应力器件410中是否出现NBTI感应阈值退化。此外，控制器430对应力器件410的巨量节点(bulk node)前向偏压，导致Vt数值减小，以解决NBTI感应阈值退化。

提供了一种适应在半导体器件的使用寿命期间的NBTI效应的方法。所述方法开始于对至少一个应力器件410和/或至少一个参考器件420的节点电压进行配置，以反映在数字和模拟电路应用中检测到的不同器件操作区，其中应力器件410包括应用到其栅极节点的电压，其中参考器件420包括0Vgs。这涉及通过栅极节点信号和漏极节点偏置电压激励应力器件410和/或参考器件420。该方法使用简单电阻负载和/或复制负载形成漏极节点偏置电压。此外，所述方法将模拟复用器连接至应力器件410的漏极节点，以便简单电阻负载和/或复制负载处在应力器件410和/或参考器件420的漏极节点处。

之后，该方法执行校准模式、测量模式和调节模式。测量模式能够测量应力器件410与参考器件420之间电流的差值，以确定在应力器件410中是否出现NBTI感应阈值退化。测量模式还能够在半导体器件所处的集成电路器件的外部生成绝对电流参考和/或绝对电压参考，并将绝对电流参考和/或绝对电压参考与应力器件410的电流进行比较，以确定在应力器件410中是否出现NBTI感应阈值退化。

调节模式能够对应用到应力器件410的电源电压进行调节，直至应力器件410的性能与参考器件420的性能相匹配，以解决NBTI感应阈值退化。调节模式还能够对应力器件410的巨量节点进行前向偏置，包括降低Vt的数值，以解决NBTI感应阈值退化。

因此，本发明的实施例的方面涉及：如何通过直接对两个相同PMOS晶体管或两个相同PMOS晶体管集的输出电流(Ids)之差进行监测，间接确定对于Vt的NBTI效应。本发明的实施例的另一方在于，使得系统通过提高受影响晶体管的电源电压对NBTI感应Vt和Ids退化进行补偿，从而对NBTI感应Vt和Ids退化做出反应。