專利名稱：測(cè)試mos器件溫度特性的結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)試金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor, M0S)器件溫度特性的結(jié)構(gòu)及方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和微電子芯片集成度的大幅提高，集成電路設(shè)計(jì)和加工水平已經(jīng)進(jìn)入納米MOS時(shí)代，雖然單位器件的成本有所降低，但是針對(duì)先進(jìn)工藝技術(shù)的流片成本大幅升高，因此測(cè)試結(jié)構(gòu)所占用的面積受到制造成本的影響更加顯著。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，在納米尺度器件的速度得到很大提升的同時(shí)，器件功耗也急劇增加，因此針對(duì)納米器件的溫度特性的測(cè)試十分必要。常規(guī)的對(duì)MOS器件溫度特性的測(cè)試方法是通過整個(gè)硅片底盤加熱的方式進(jìn)行測(cè)·試，該方法需要溫度可控的加熱硅片底盤設(shè)備，在不同溫度下測(cè)試MOS器件結(jié)構(gòu)的電流特性。如圖I所示，為一個(gè)包括源極、柵極、漏極和襯底的四端MOS器件結(jié)構(gòu)，通過整個(gè)硅片底盤加熱的方式在所需的溫度下來測(cè)量，如圖2所示。通過外置溫控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)硅片進(jìn)行溫度控制，在不同溫度下得到MOS器件的漏極電流隨溫度的變化而變化，變化關(guān)系如圖3所示，當(dāng)溫度增加時(shí)，MOS器件的漏極電流隨溫度的變化規(guī)律與器件的電壓相關(guān)，即在柵極的低電壓區(qū)，漏極電流隨溫度的升高而升高；在柵電壓較高的飽和區(qū)，漏極電流隨溫度的升高而降低。然而，利用外置溫控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)硅片進(jìn)行溫度控制，因?yàn)榧訜岬拿娣e較大，因此升溫過程通常需要數(shù)分鐘，而且對(duì)于不需要測(cè)試的器件也會(huì)一并加熱，影響了溫度特性測(cè)試的效率。

發(fā)明內(nèi)容
(一)解決的技術(shù)問題本發(fā)明解決的是MOS器件溫度特性測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、效率低的問題。(二)技術(shù)方案一種測(cè)試MOS器件溫度特性的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括加熱結(jié)構(gòu)、待測(cè)試的MOS器件和PN結(jié)，所述加熱結(jié)構(gòu)為一側(cè)有開口的框型電阻結(jié)構(gòu)，所述MOS器件和所述PN結(jié)位于所述加熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部。優(yōu)選地，所述MOS器件的襯底和源極、所述PN結(jié)的N端以及加熱結(jié)構(gòu)的一端共接低電位，所述加熱結(jié)構(gòu)的另一端接高電位。優(yōu)選地，所述PN結(jié)用于進(jìn)行溫度校準(zhǔn)。一種測(cè)試MOS器件溫度特性的方法，包括 A :利用PN結(jié)和外部溫控進(jìn)行第一溫度校準(zhǔn)，測(cè)量在不同溫度下PN結(jié)的電流，得到PN結(jié)第一電流與外部溫控溫度的第一關(guān)系；B :利用PN結(jié)和加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二溫度校準(zhǔn)，通過改變施加在加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓，同時(shí)測(cè)量所述PN結(jié)的電流，得到PN結(jié)第二電流和加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓的第二關(guān)系；C :當(dāng)PN結(jié)第一電流和第二電流一致時(shí)，根據(jù)第一關(guān)系和第二關(guān)系，得到加熱結(jié)構(gòu)電流或電壓與外部溫控溫度的第三關(guān)系；D :在MOS器件的柵極、漏極、襯底和源極端加上固定電壓，并對(duì)加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓進(jìn)行線性改變，同時(shí)對(duì)MOS器件的漏極端電流進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓與外部溫控溫度的第三關(guān)系得到MOS器件溫度特性。優(yōu)選地，通過改變MOS器件柵極上的電壓，得到MOS器件不同狀態(tài)下的溫度特性。(三)有益效果本發(fā)明提出的測(cè)試MOS器件溫度特性的結(jié)構(gòu)及方法，通過利用加熱結(jié)構(gòu)快速升溫的特點(diǎn)，對(duì)MOS器件的局部進(jìn)行加熱，使得升溫效果顯著加快；只在進(jìn)行一次溫度校準(zhǔn)后，通過改變施加在加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或者電壓，使得MOS器件的溫度特性的測(cè)試一次性就 能夠完成，提高了溫度特性測(cè)試的效率。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發(fā)明背景技術(shù)中提出的傳統(tǒng)MOS器件測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明背景技術(shù)中提出的傳統(tǒng)MOS器件溫度特性測(cè)試外部溫控的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明背景技術(shù)中提出的MOS器件的漏電流隨溫度變化的結(jié)果示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提出的測(cè)試MOS器件溫度特性的流程圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提出的測(cè)試MOS器件溫度特性的測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例提出的MOS器件溫度特性測(cè)試結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。本發(fā)明提出了一種測(cè)試MOS器件溫度特性的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括加熱結(jié)構(gòu)、待測(cè)試的MOS器件和PN (PN Junction)結(jié)，所述加熱結(jié)構(gòu)為一側(cè)有開口的框型電阻結(jié)構(gòu)，所述MOS器件和所述PN結(jié)位于所述加熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部。優(yōu)選地，所述MOS器件的襯底和源極、所述PN結(jié)的N端以及加熱結(jié)構(gòu)的一端共接低電位，所述加熱結(jié)構(gòu)的另一端接高電位。優(yōu)選地，所述PN結(jié)用于進(jìn)行溫度校準(zhǔn)。本發(fā)明還提出了一種測(cè)試MOS器件溫度特性的方法，如圖4所示，包括A :利用PN結(jié)和外部溫控進(jìn)行第一溫度校準(zhǔn)，測(cè)量在不同溫度下PN結(jié)的電流，得到PN結(jié)第一電流與外部溫控溫度的第一關(guān)系；B :利用PN結(jié)和加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二溫度校準(zhǔn)，通過改變施加在加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓，同時(shí)測(cè)量所述PN結(jié)的電流，得到PN結(jié)第二電流和加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓的
第二關(guān)系；C :當(dāng)PN結(jié)第一電流和第二電流一致時(shí)，根據(jù)第一關(guān)系和第二關(guān)系，得到加熱結(jié)構(gòu)電流或電壓與外部溫控溫度的第三關(guān)系；D :在MOS器件的柵極、漏極、襯底和源極端加上固定電壓，并對(duì)加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓進(jìn)行線性改變，同時(shí)對(duì)MOS器件的漏極端電流進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓與外部溫控溫度的第三關(guān)系得到MOS器件溫度特性。優(yōu)選地，通過改變MOS器件柵極上的電壓，得到MOS器件不同狀態(tài)下的溫度特性。本發(fā)明還提出了一種更為具體的測(cè)試MOS器件溫度特性的結(jié)構(gòu)和方法，具體包括 測(cè)試MOS器件溫度特性的結(jié)構(gòu)是一個(gè)自帶加熱結(jié)構(gòu)的待測(cè)試MOS器件結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。這個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)包括一個(gè)常規(guī)MOS器件，以G、D、B、S表示MOS器件的柵極、漏極、襯底和源極；一個(gè)加熱結(jié)構(gòu)，由多晶硅或者金屬形成一側(cè)具有開口的框型電阻，由“ + ”和“一”表示加熱結(jié)構(gòu)的“正極”和“負(fù)極”兩端；一個(gè)PN結(jié)用于和外部溫控或加熱結(jié)構(gòu)的溫度校準(zhǔn)，以P和N表示PN結(jié)的兩端。其中，加熱結(jié)構(gòu)圍繞在MOS器件和PN結(jié)周圍，加熱結(jié)構(gòu)的形狀為矩形、圓形、蛇形等，對(duì)于該加熱結(jié)構(gòu)的具體形狀本發(fā)明在此不作具體限定。由于MOS器件的襯底和源極、PN結(jié)的N端以及加熱結(jié)構(gòu)的“一”極是接到最低電位，加熱結(jié)構(gòu)的“ + ”接高位。在本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將MOS器件的襯底和源極、PN結(jié)的N端以及加熱結(jié)構(gòu)的“一”極組合共用，成為一個(gè)壓焊點(diǎn)PAD，從而減少了 PAD的數(shù)量，節(jié)省了測(cè)試結(jié)構(gòu)的面積，又便于對(duì)MOS器件進(jìn)行測(cè)試。利用上述結(jié)構(gòu)對(duì)MOS器件的溫度特性進(jìn)行測(cè)試。在對(duì)MOS器件的溫度特性進(jìn)行測(cè)試之前，需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)。第一階段利用PN結(jié)和外部溫控進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，通過給PN結(jié)加一固定電壓，改變外部溫控溫度的同時(shí)，測(cè)量在不同環(huán)境溫度下PN結(jié)的電流，得到PN結(jié)電流與外部溫控溫度的關(guān)系?，F(xiàn)有技術(shù)所公開的PN結(jié)的電流在PN結(jié)兩端的電壓一定的情況下，與溫度呈反比，可以表示為
. T f QV λi , = In exp--
PA 0 { nkT)其中Ipn為PN結(jié)電流山和η是模型常數(shù)，與工藝、器件尺寸等因素相關(guān)；q為電子電荷量為PN結(jié)兩端電壓；k為常數(shù)；T為外部溫控的溫度。第二階段利用PN結(jié)和加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，通過給PN結(jié)加與第一階段相同的固定電壓，改變施加在加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或者電壓，使得PN結(jié)的環(huán)境溫度得到改變，通過測(cè)量PN結(jié)的電流，當(dāng)該P(yáng)N結(jié)的電流與第一階段的PN結(jié)電流一致時(shí)，就能夠獲得加熱結(jié)構(gòu)電流或者電壓參數(shù)與外部溫控溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，某個(gè)加熱電流或者電壓就對(duì)應(yīng)了一個(gè)外部溫控的溫度值。由于自加熱結(jié)構(gòu)的升溫時(shí)間很短，可以快速達(dá)到ms量級(jí)，因此，在MOS器件的柵極、漏極、襯底和源極端加上固定電壓，而對(duì)加熱結(jié)構(gòu)兩端電流或者電壓進(jìn)行線性改變，同時(shí)測(cè)量MOS器件的漏極端電流，根據(jù)加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓與外部溫控溫度的關(guān)系可以得到MOS器件的溫度特性。只需改變MOS器件的柵極的電壓值，就可以得到MOS器件不同工作狀態(tài)下的溫度特性，如圖6所示，兩條曲線分別對(duì)應(yīng)于MOS器件的不同工作狀態(tài)，其中，虛線為MOS器件飽和區(qū)的工作狀態(tài)；實(shí)線為MOS器件在亞閾值電壓區(qū)的工作狀態(tài)。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明 中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)試MOS器件溫度特性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)包括加熱結(jié)構(gòu)、待測(cè)試的MOS器件和PN結(jié)，所述加熱結(jié)構(gòu)為一側(cè)有開口的框型電阻結(jié)構(gòu)，所述MOS器件和所述PN結(jié)位于所述加熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述MOS器件的襯底和源極、所述PN結(jié)的N端以及加熱結(jié)構(gòu)的一端共接低電位，所述加熱結(jié)構(gòu)的另一端接高電位。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述PN結(jié)用于進(jìn)行溫度校準(zhǔn)。
4.一種測(cè)試MOS器件溫度特性的方法，其特征在于，包括 A :利用PN結(jié)和外部溫控進(jìn)行第一溫度校準(zhǔn)，測(cè)量在不同溫度下PN結(jié)的電流，得到PN結(jié)第一電流與外部溫控溫度的第一關(guān)系； B :利用PN結(jié)和加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二溫度校準(zhǔn)，通過改變施加在加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓，同時(shí)測(cè)量所述PN結(jié)的電流，得到PN結(jié)第二電流和加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓的第二關(guān)系; C :當(dāng)PN結(jié)第一電流和第二電流一致時(shí)，根據(jù)第一關(guān)系和第二關(guān)系，得到加熱結(jié)構(gòu)電流或電壓與外部溫控溫度的第三關(guān)系； D :在MOS器件的柵極、漏極、襯底和源極端加上固定電壓，并對(duì)加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓進(jìn)行線性改變，同時(shí)對(duì)MOS器件的漏極端電流進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或電壓與外部溫控溫度的第三關(guān)系得到MOS器件溫度特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過改變MOS器件柵極上的電壓，得到MOS器件不同狀態(tài)下的溫度特性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種測(cè)試MOS器件溫度特性的結(jié)構(gòu)及方法，所述結(jié)構(gòu)包括一個(gè)自帶加熱結(jié)構(gòu)的待測(cè)試MOS器件和一個(gè)PN結(jié)，所述加熱結(jié)構(gòu)為圍繞在MOS器件和PN結(jié)周圍，且在一側(cè)有開口的框型電阻結(jié)構(gòu)。通過利用加熱結(jié)構(gòu)快速升溫的特點(diǎn)，對(duì)MOS器件的局部進(jìn)行加熱，使得升溫效果顯著加快；只在進(jìn)行一次溫度校準(zhǔn)后，通過改變施加在加熱結(jié)構(gòu)兩端的電流或者電壓，使得MOS器件的溫度特性的測(cè)試一次性就能夠完成，提高了溫度特性測(cè)試的效率。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102841300SQ20121034202
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者何燕冬, 張鋼剛, 劉曉彥, 張興 申請(qǐng)人:北京大學(xué)