用于表征器件自加熱的結構和方法

專利名稱：用于表征器件自加熱的結構和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于表征器件自加熱的結構和方法，更具體而言，涉 及一種用于確定具有不同特性和在不同工作條件下的器件的溫度的結構和 方法。
背景技術：
先進的微電子器件為提高的性能采用絕緣體上硅(SOI)技術，其中 器件的有源區在薄硅層中，通過掩埋氧化物(BOX)層與體硅襯底隔離。 為有源區中改善的場分布BOX提供與襯底的電隔離，但是BOX也形成了 在惡劣的工作或應力條件下熱從器件向襯底耗散的主要阻擋層。結果，關 注的器件處于比環境或者襯底溫度顯著更高的溫度。
更具體而言，器件例如FET制造在襯底上并且，如所公知的，包括溝 道、柵極和氧化物材料。在溝道至柵極結內，歸因于源極電壓Vs、漏極電 壓Vd、以及柵極電壓Vg而典型產生的自加熱是明顯的。例如，當將電壓 施加到器件的源極、柵極和漏極時，典型地分布和程度不均勻的內部加熱 開始發生。在電路的工作狀態期間，還公知遍及電路的拓樸自加熱是不均 勻的。
在表征和建模器件及其可靠性時，知道在特定條件下精確的器件溫度 是關鍵的。在一種方法中，通過與關注的器件處于不同距離的多個監測器 件的溫度間接計算器件溫度。然而，公知器件溫度依賴于所關注的器件周 圍的環境(例如RX區域、STI位置、附近金屬接觸/線的數目，等)。因 此，利用該方法獲得的溫度僅對于以給定結構和環境測量的特定器件有效。 當然，該估計的溫度與不同的關注的器件的溫度是很不同的。
同樣，利用各種模型估計產生的熱，例如用于MOS晶體管的Berkeley 短溝道IGFET模型(BSIM) 。 BSIM模型近似處于特定設計階段的電路 的內部工作。使用數學統計模型的這些模型利用電路元件的參數以幫助設 計最終的集成電路。雖然BSIM是近似集成電路內部溫度的一種好方法， 但是使用近似和統計模型僅產生估計的結果，該估計的結果不能準確地說 明遍及最終的集成電路產品的截面的溫度變化。
因此，在本技術領域中存在克服上述不足和限制的需要。

發明內容
在本發明的第一方面中， 一種方法包括確定給定器件的多晶柵極溫度 和確定監測器件的溝道溫度。所述方法還包括外推所述監測器件的溝道溫 度以獲得所述給定器件的溝道溫度。基于所述多晶柵極溫度和所述溝道溫 度確定所述給定器件的溫度差(AT值)。
在本發明的另一方面中，所述方法包括測量加熱器件的多晶柵極溫度 和通過使用亞閾值斜率確定監測器件的溝道溫度。所述方法還包括外推所 述監測器件的溝道溫度至離所述加熱器件零距離，以便獲得所述加熱器件 的溝道溫度。確定所述加熱器件的所述溝道溫度與所述多晶柵極溫度之間 的溫度差(AT值)。
在本發明的另 一方面中， 一種器件包括具有在其每一個端處具有至少 一個接觸的多晶柵極的加熱器件和與所述加熱器件間隔已知距離的多個監 測器件。


圖la和lb示出了根據本發明的方面的器件；
圖2示出了根據本發明的圖la的器件的分解圖3a是示出了相對于柵極電流繪制的柵極電壓的圖3b是示出了柵極電阻(單位為歐姆)與多晶柵極溫度的關系圖4a是示出了相對于柵極電流繪制的柵極電壓的圖4b是示出了器件功率與多晶柵極溫度的關系圖5示出了根據本發明外推溝道溫度至離加熱器件零距離的圖6a和6b圖解地示出了獲得監測器件的亞閾值的處理步驟；
圖7是示出了根據本發明的處理的流程圖；以及
圖8示出了執行圖7的處理的示例性環境。
具體實施例方式
本發明涉及用于表征器件自加熱的結構和方法。該結構和方法表征了 多晶柵極與溝道之間跨過柵極氧化物的AT。 AT值是柵極氧化物的熱特 性并且，對于第一級，不依賴器件的結構和環境。更具體而言，AT值是 在給定條件下的給定器件的柵極溫度與溝道溫度之間的溫度差。
通過執行本發明，無論器件的結構和環境， 一旦測量出多晶柵極電阻， 可以精確地確定器件溝道溫度。在實施例中，用于確定AT值的方法包括 測量加熱器件的多晶柵極溫度和"投影"加熱器件的溝道溫度。這里所描 述的方法可以用于可靠性和^:計測試目的。
圖la示出了根據本發明的結構。該結構包括在Rx上的自加熱器件100 和多個監測器件102。自加熱器件100的多晶柵極包括在其兩端處的接觸 100a、 100b。配置接觸100a、 100b以允許直接在器件工作期間測量依次 用于確定多晶柵極溫度的多晶柵極電阻。可以通過使用4點探針結構 (Kelvin接觸)改善多晶柵極電阻的測量精度，如圖lb中所示該4點探 針結構在多晶柵極的每一端處需要一個附加的布線襯墊。
在實施例中，通過其亞闊值斜率確定在不同距離處的監測器件102的 溝道溫度。通過外推，可以計算加熱器件100的溝道溫度。這樣，對于給 定的柵極氧化物厚度，可以獲得多晶柵極溫度和溝道溫度之間的厶T。通 過知道AT值， 一旦用本發明的方法直接測量出多晶柵極溫度，就可以確 定在各種結構和工作條件下的器件溝道溫度。
圖2示出了圖la的加熱器件100的詳細碎見圖。具體而言，加熱器件包 括在源極區與漏極區之間的有源溝道。多晶柵極包括兩個接觸100a、100b。
在圖lb的實施例中，多晶柵極包括四個接觸。在該兩個實施例中的任一
個中，該結構為具有附加的一個或多個柵極接觸的標準FET。柵極接觸允 許在器件工作期間測量多晶柵極電阻，如下面更加詳細的描述。
圖3a是處于來自分別的加熱器功率的不同柵極溫下的測試器件的電 壓與流過柵極的電流的關系的校準圖。在該圖中，器件沒有被供電。在該 實例中，在下述條件下測量加熱器件100的電壓
V加熱器-0V (室溫)；
V加熱器=0.2V;
V加熱器-0.6V;以及
V加熱器=3V。
應該理解，對于每個V力。熱s加熱器件100的溫度是已知的。例如，在一個 非限制的示例性實例中，V加熱器-0.2V時器件的溫度約為30。C ，和V力。熱器-3V 時器件的溫度約為120。C。應該理解這里示出的電壓是施加到鄰近關注的 器件的加熱器上的電壓，并且為了示例性目的提供該電壓，該電壓不應解 釋為本發明的限制特征。因此，應該理解使用本發明的原理可以執行其它 的電壓值和用于校準的其它加熱方法例如使用溫度控制的卡盤。
在該校準圖中，將一個柵極接觸保持在Vg值(例如-2V)，同時在 Vg周圍的+Z-5(hnV之間(-1.95V~-2.05V)掃描另一柵極接觸；盡管本發 明還構思了其它的掃描值。同樣，在測試期間保持源極和漏極電壓接地， 以便在器件中存在最小的電流和因此的最小的自加熱。掃描的斜率表示加 熱器件100的電阻(電阻等于電壓除以電流)。
圖3b是多晶柵極溫度與由圖3a的校準確定的柵極電阻的關系圖。更 具體而言，在先前圖3a的校準圖中獲得圖3b的柵極電阻例如圖3a的曲 線斜率。給定多晶柵極電阻，可以使用圖3b中的相互關系(因為已知每 個V力。熱器的溫度)確定相應的溫度。也就是，由于電阻是溫度的函數，因 此對于已知電阻可以使用圖3a (和圖3b)的校準曲線獲得溫度。因此， 基于圖3b中的多晶柵極的R-T (電阻-溫度)相互關系，在給定器件工作 條件時可以確定多晶柵極的溫度。在圖3b的一個實例中，柵極電阻R掩極=540歐姆時的溫度約為70'C。
圖4a是被供電的給定器件的電壓與柵極電流的關系圖。為獲得該圖， 在各自的工作條件下(例如在該實例中的V槲極-V漏極--lV、 -1.5V等)電流 I漏極從源極流到漏極，伴隨著橫跨柵極施加的小的電壓降(例如在本實例 中的士50mV)。用于在確定的工作條件下確定自加熱的在該給定情景中施 加的電壓為
V柵極-V漏極=-IV;
V柵極-V漏極=-1.5V; V樹極-V漏極^2V;以及 V槺極V漏極=畫2,5V。
應該理解提供這里示出的電壓是用于示例性目的并且不應該將其解釋為本 發明的限制特征。因此應該理解在本發明的原理內可以執行其它的電壓值。 圖4a的圖的斜率表示在給定工作偏置條件下的給定器件的電阻。
圖4b示出了用于圖4a的給定器件的器件功率(mW)與多晶柵極溫 度的關系圖。如公知，器件功率等于電壓乘以電流，或者V漏極xI漏極。如上 所述，使用圖3b和圖4a的圖，可以在各種功率水平下獲得器件的溫度。
圖5示出了繪制了多個監測器件102的溝道溫度的圖。更具體而言， 圖5的圖通過繪制在離加熱器件100不同距離處的多個監測器件102的溫 度表示溝道溫度的投影。
如圖5中所示，當監測器件102進一步遠離加熱器件100移動時，溝 道溫度衰減(減小)。對于確定距離的監測器件102, —旦確定溫度，可 以將曲線擬合到外推其至離加熱器件IOO零距離的溫度。零距離將代表加 熱器件IOO的溝道溫度。
這樣，通過進行監測器件102的I漏極/V敏掃描(使用亞閾值斜率)以 測量在離加熱器件100不同距離處的每一個監測器件102的溝道溫度，可 以確定Rx區域中的溫度分布。并且，如圖5中所示意性地示出的，通過 外推曲線至離加熱器件IOO零距離，可以確定加熱器件100的溝道溫度。 (本領域的技術人員應該認識到當器件在工作期間被偏置在恒定電壓時不
能在被供電的器件上執行I漏極/V掩極掃描。同樣地，不能在加熱器件上執行
I漏極/v柵極43^S 。)
在實施例中，AT是多晶柵極和溝道之間橫跨加熱器件100的柵極氧 化物的溫度差。如上所述，AT是柵極氧化物的熱特性并且，對于第一級， 不依賴(基本上獨立)于所涉及的器件的結構和環境。因此，無論器件的 結構和環境， 一旦測量出多晶柵極電阻，可以通過AT值精確地確定器件 的溝道溫度。
一旦確定出AT值，可以使用該AT值通過僅僅測量不同結構和環境 下的多晶柵極電阻在不同工作或應力條件下獲得器件的溝道溫度。通過示 例性實例的方法，知道AT值，將在工作/應力條件下的給定器件的柵極溫 度加AT值以得到給定器件的溝道溫度。
圖6a和6b圖解地示出了獲得監測器件的亞閾值的處理步驟。更具體 而言，圖6a示出了 I漏極/V樹極掃描的典型斜率。在該示例性的非限制的實 例中，以30度的間隔繪制溫度。擬合繪制的點至提供斜率和相關的值的直 線。然后，使用圖6a的值以獲得圖6b的圖，所述圖6b是亞閾值與溫度 的關系圖。這些值為一個示例性實例，本領域的技術人員可以獲得所有這 些值。
圖7示出了執行根據本發明的處理步驟的流程圖，可以在圖8的基J出 結構中執行圖7的步驟。圖7等價地代表本發明的高級方塊圖。可以在客 戶服務關系中的服務器上執行和實施圖7的步驟，也可在具有傳送到用戶 工作站的工作信息的用戶工作站上運行圖7的步驟，以進行上述計算。另 外，本發明可以采取完全的硬件實施例、完全的軟件實施例或者包括硬件 和軟件單元的實施例的形式。如本領域的技術人員應該理解和能夠執行的， 可以在圖8的環境中執行軟件和/或計算機程序產品。
仍參考圖7,在步驟700，該處理確定加熱器件的柵極電阻。如上所述， 公知對于確定的電壓，柵極電阻是柵極溫度的函數。在步驟705,該處理 通過繪制功率與電流的關系圖確定加熱器件的柵極溫度。在步驟710，確 定監測器件的亞閾值斜率。在步驟715,測量在不同距離處的監測器件的
溫度。在步驟720，通過外推監測器件的溫度至離加熱器件零距離確定加 熱器件的溝道溫度。在步驟725，通過從柵極溫度減去溝道溫度獲得AT 值。如上所述，然后可以使用厶T值確定在不同工作條件/應力下的不同器 件的溝道溫度。
圖8示出了根據本發明的用于管理該處理的示例性環境10。到達這樣 的程度，環境10包括可以執行這里所描述的處理的計算機基礎結構12。 具體而言，計算機基礎結構12包括這樣的計算設備14，所述計算設備14 包括管理系統30，該管理系統30使計算設備14可以運轉以執行這里描述 的處理。計算設備14包括處理器20、存儲器22A、輸入/輸出(1/0)接口 24、和總線26。此外，計算設備14與外部I/O設備/資源28和存儲系統 22B通信。
在本技術領域中公知， 一般而言，處理器20執行在存儲器22A和/或 存儲系統22B中存儲的計算程序代碼。當執行計算程序代碼時，處理器20 可以讀和/或寫數據從/到存儲器22A、存儲系統22B、和/或I/0接口24。 總線26提供計算設備14中的每一個組件之間的通信鏈接。I/O設備28可 以包括使個體與計算設備14相互作用的任何設備或者使用任何類型的通 信鏈路使計算設備14與一個或多個其它計算設備通信的任何設備。
計算設備14可以包括能夠運行在其上安裝的計算機程序代碼的任何 常規目的的計算制品(例如個人計算機、服務器、手持設備等)。但是， 應該理解計算設備14僅僅代表可以執行這里所描述的處理的各種可能的 等價的計算設備。到達這樣的程度，在實施例中，可以通過計算制品執行 計算設備14提供的功能，所述計算制品包括常規和/或特殊目的的硬件和/ 或計算機程序代碼的任何結合。在每一個實施例中，可以分別地使用標準
的編程和工程技術創建程序代碼和硬件。
相似地,計算機基礎結構12僅僅是用于執行本發明的各種類型的計算 機基礎結構的示例。例如，在實施例中，計算機基礎結構12包括兩個或更 多計算設備(例如服務器集群)，所述計算設備通過任何類型的通信鏈接 例如網絡、共享存儲器等通信，以執行這里所描述的處理。此外，當執行 行這里所描述的處理時，在計算機基礎結構12中的一個或多個計算設備可 以寸吏用任何類型的通信鏈接與計算機基礎結構12外部的一個或多個其它 的計算設備通信。通信鏈接可以包括有線和/或無線鏈接的任何組合； 一種 或多種類型的網絡(例如因特網、廣域網、局域網、虛擬專用網等)的任 何組合；和/或利用傳送技術和協議的任何組合。
在實施例中，本發明提供一種商業方法，所述商業方法在認購、廣告、 和/或收費基礎上進行本發明的方法步驟。也就是，服務提供者例如解決方 案整合可以提供執行這里所描述的處理。在該情況下，服務提供者可以為 一個或多個客戶創造、維持、支持等執行本發明的處理步驟的計算機基礎 結構。作為回報，服務提供者可以基于認購和/或收費協定接收來自客戶的 付款和/或服務提供者可以接收來自向一個或多個第三方銷售廣告內容的 付款。
在集成電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，作為具有多個未封裝芯片的單一晶片)如棵芯片或者以封裝 的形式分發產生的集成電路芯片。在后一種情況中，在單芯片封裝(例如 具有附加到主板或者其它較高級載體的引線的塑料載體)中或者在多芯片 封裝(例如具有單或雙表面互連或者掩埋互連的陶瓷載體)中安裝芯片。 在任何情況中，然后將所述芯片與其它芯片、分立電路元件、和/或其它信 號處理設備集成，作為(a)中間產品例如主板或者(b)最終產品的部分。 所述最終產品可以為包括集成電路芯片的任何產品，從玩具和其它低端應 用到具有顯示器、鍵盤或者其它輸入設備以及中央處理器的高級計算機產
雖然已經按照示例性的實施例描述了本發明，但本領域的技術人員該 認識到可以修改地并且在所附權利要求的精神和范圍內實踐本發明。
權利要求
1.一種方法，包括以下步驟確定給定器件的多晶柵極溫度；確定監測器件的溝道溫度；外推所述監測器件的溝道溫度以獲得所述給定器件的溝道溫度；以及基于所述多晶柵極溫度和所述溝道溫度確定所述給定器件的溫度差(ΔT值)。
2. 根據權利要求l的方法，其中使用亞閾值斜率確定所述溝道溫度。
3. 根據權利要求2的方法，其中通過I漏極/V樹極掃描確定所述亞閾值斜率。
4. 根據權利要求l的方法，其中所述外推包括使距離測量至離所述給 定器件零距離。
5. 根據權利要求l的方法，其中對于所述給定器件獲得在給定柵極氧 化物厚度處的所述AT值。
6. 根據權利要求l的方法，其中所述厶T值是所述柵極氧化物的熱特 性，其基本上不依賴于幾何結構和環境。
7. 根據權利要求l的方法，其中所述給定器件為在確定所述多晶柵極 溫度期間未被供電的加熱器件。
8. 根據權利要求l的方法，其中通過測量橫跨所述多晶柵極的電阻確 定所述多晶柵極溫度。
9. 根據權利要求l的方法，還包括通過將所述AT值加到第二器件的 多晶柵極溫度確定所述第二器件的溝道溫度。
10. 根據權利要求l的方法，還包括在所述給定器件的所述多晶柵極 的每一個端處提供至少 一個接觸。
11. 根據權利要求l的方法，其中這樣確定所述多晶柵極溫度，通過 在已知溫度下對于一 系列電壓繪制所述加熱器件的電壓與柵極電流的關系 以獲得電阻和相對于溫度繪制所述電阻以確定所述多晶柵極溫度。
12. —種方法，包括以下步驟 測量未被供電的加熱器件的多晶柵極溫度； 通過使用亞閾值斜率確定監測器件的溝道溫度；外推所述監測器件的溝道溫度至離所述加熱器件零距離以獲得所述加 熱器件的溝道溫度；以及對于所述加熱器件確定所述溝道溫度與所述多晶柵極溫度之間的溫度差(zvr值)。
13. 根據權利要求12的方法，其中通過I漏極/V棚極掃描確定所述亞閾 值斜率。
14. 根據權利要求12的方法，其中對于所述加熱器件獲得在給定柵極 氧化物厚度處的所述AT值。
15. 根據權利要求12的方法，其中通過測量橫跨所述多晶柵極的電阻 確定所述多晶柵極溫度。
16. 根據權利要求12的方法，還包括通過將所述厶T值加到第二器件 的多晶柵極溫度確定所述第二器件的溝道溫度。
17. 根據權利要求12的方法，其中這樣確定所述多晶柵極溫度，通過 在已知溫度下對于一系列電壓繪制所述加熱器件的電壓與柵極電流的關系
18. 根據權利要求12的方法，其中所述加熱器件包括在所述柵極的每 一個端處的至少一個接觸。
19. 一種器件，包括加熱器件，具有在其每一個端處具有至少一個接觸的多晶柵極；和 多個監測器件，與所述加熱器件間隔已知距離。
20. 根據權利要求19的器件，其中所述至少一個接觸為在每一個端處 的兩個接觸。
全文摘要
本發明提供一種用于表征器件自加熱的結構和方法。本方法包括確定給定器件的多晶柵極溫度和確定監測器件的溝道溫度。本方法還包括外推所述監測器件的溝道溫度以獲得所述給定器件的溝道溫度。基于所述多柵極溫度和所述溝道溫度確定所述給定器件的溫度差(ΔT值)。器件包括具有在其每一個端處具有至少一個接觸的多晶柵極的加熱器件和與加熱器件間隔已知距離的多個監測器件。
文檔編號G06F17/50GK101183398SQ200710140228
公開日2008年5月21日 申請日期2007年8月6日 優先權日2006年11月13日
發明者羅莎 G·拉, K·W·克爾芬巴赫, P·A·海德, 王平川 申請人:國際商業機器公司