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专利名称：测试mos器件温度特性的结构及方法
技术领域：
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种测试金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor, M0S)器件温度特性的结构及方法。
背景技术：
随着半导体技术的飞速发展和微电子芯片集成度的大幅提高，集成电路设计和加工水平已经进入纳米MOS时代，虽然单位器件的成本有所降低，但是针对先进工艺技术的流片成本大幅升高，因此测试结构所占用的面积受到制造成本的影响更加显著。随着集成电路技术的发展，在纳米尺度器件的速度得到很大提升的同时，器件功耗也急剧增加，因此针对纳米器件的温度特性的测试十分必要。常规的对MOS器件温度特性的测试方法是通过整个硅片底盘加热的方式进行测·试，该方法需要温度可控的加热硅片底盘设备，在不同温度下测试MOS器件结构的电流特性。如图I所示，为一个包括源极、栅极、漏极和衬底的四端MOS器件结构，通过整个硅片底盘加热的方式在所需的温度下来测量，如图2所示。通过外置温控系统对整个硅片进行温度控制，在不同温度下得到MOS器件的漏极电流随温度的变化而变化，变化关系如图3所示，当温度增加时，MOS器件的漏极电流随温度的变化规律与器件的电压相关，即在栅极的低电压区，漏极电流随温度的升高而升高；在栅电压较高的饱和区，漏极电流随温度的升高而降低。然而，利用外置温控系统对整个硅片进行温度控制，因为加热的面积较大，因此升温过程通常需要数分钟，而且对于不需要测试的器件也会一并加热，影响了温度特性测试的效率。

发明内容
(一)解决的技术问题本发明解决的是MOS器件温度特性测试时间长、效率低的问题。(二)技术方案一种测试MOS器件温度特性的结构，所述结构包括加热结构、待测试的MOS器件和PN结，所述加热结构为一侧有开口的框型电阻结构，所述MOS器件和所述PN结位于所述加热结构内部。优选地，所述MOS器件的衬底和源极、所述PN结的N端以及加热结构的一端共接低电位，所述加热结构的另一端接高电位。优选地，所述PN结用于进行温度校准。一种测试MOS器件温度特性的方法，包括 A :利用PN结和外部温控进行第一温度校准，测量在不同温度下PN结的电流，得到PN结第一电流与外部温控温度的第一关系；B :利用PN结和加热结构进行第二温度校准，通过改变施加在加热结构两端的电流或电压，同时测量所述PN结的电流，得到PN结第二电流和加热结构两端的电流或电压的第二关系；C :当PN结第一电流和第二电流一致时，根据第一关系和第二关系，得到加热结构电流或电压与外部温控温度的第三关系；D :在MOS器件的栅极、漏极、衬底和源极端加上固定电压，并对加热结构两端的电流或电压进行线性改变，同时对MOS器件的漏极端电流进行测量，根据加热结构两端的电流或电压与外部温控温度的第三关系得到MOS器件温度特性。优选地，通过改变MOS器件栅极上的电压，得到MOS器件不同状态下的温度特性。(三)有益效果本发明提出的测试MOS器件温度特性的结构及方法，通过利用加热结构快速升温的特点，对MOS器件的局部进行加热，使得升温效果显著加快；只在进行一次温度校准后，通过改变施加在加热结构两端的电流或者电压，使得MOS器件的温度特性的测试一次性就 能够完成，提高了温度特性测试的效率。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明背景技术中提出的传统MOS器件测试结构示意图；图2是本发明背景技术中提出的传统MOS器件温度特性测试外部温控的结构示意图；图3是本发明背景技术中提出的MOS器件的漏电流随温度变化的结果示意图；图4是本发明实施例提出的测试MOS器件温度特性的流程图；图5是本发明实施例提出的测试MOS器件温度特性的测试结构示意图；图6是本发明实施例提出的MOS器件温度特性测试结果示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明提出了一种测试MOS器件温度特性的结构，所述结构包括加热结构、待测试的MOS器件和PN (PN Junction)结，所述加热结构为一侧有开口的框型电阻结构，所述MOS器件和所述PN结位于所述加热结构内部。优选地，所述MOS器件的衬底和源极、所述PN结的N端以及加热结构的一端共接低电位，所述加热结构的另一端接高电位。优选地，所述PN结用于进行温度校准。本发明还提出了一种测试MOS器件温度特性的方法，如图4所示，包括A :利用PN结和外部温控进行第一温度校准，测量在不同温度下PN结的电流，得到PN结第一电流与外部温控温度的第一关系；B :利用PN结和加热结构进行第二温度校准，通过改变施加在加热结构两端的电流或电压，同时测量所述PN结的电流，得到PN结第二电流和加热结构两端的电流或电压的
第二关系；C :当PN结第一电流和第二电流一致时，根据第一关系和第二关系，得到加热结构电流或电压与外部温控温度的第三关系；D :在MOS器件的栅极、漏极、衬底和源极端加上固定电压，并对加热结构两端的电流或电压进行线性改变，同时对MOS器件的漏极端电流进行测量，根据加热结构两端的电流或电压与外部温控温度的第三关系得到MOS器件温度特性。优选地，通过改变MOS器件栅极上的电压，得到MOS器件不同状态下的温度特性。本发明还提出了一种更为具体的测试MOS器件温度特性的结构和方法，具体包括 测试MOS器件温度特性的结构是一个自带加热结构的待测试MOS器件结构，测试结构示意图如图5所示。这个测试结构包括一个常规MOS器件，以G、D、B、S表示MOS器件的栅极、漏极、衬底和源极；一个加热结构，由多晶硅或者金属形成一侧具有开口的框型电阻，由“ + ”和“一”表示加热结构的“正极”和“负极”两端；一个PN结用于和外部温控或加热结构的温度校准，以P和N表示PN结的两端。其中，加热结构围绕在MOS器件和PN结周围，加热结构的形状为矩形、圆形、蛇形等，对于该加热结构的具体形状本发明在此不作具体限定。由于MOS器件的衬底和源极、PN结的N端以及加热结构的“一”极是接到最低电位，加热结构的“ + ”接高位。在本结构设计中，将MOS器件的衬底和源极、PN结的N端以及加热结构的“一”极组合共用，成为一个压焊点PAD，从而减少了 PAD的数量，节省了测试结构的面积，又便于对MOS器件进行测试。利用上述结构对MOS器件的温度特性进行测试。在对MOS器件的温度特性进行测试之前，需要进行温度校准。第一阶段利用PN结和外部温控进行温度校准，通过给PN结加一固定电压，改变外部温控温度的同时，测量在不同环境温度下PN结的电流，得到PN结电流与外部温控温度的关系。现有技术所公开的PN结的电流在PN结两端的电压一定的情况下，与温度呈反比，可以表示为
. T f QV λi , = In exp--
PA 0 { nkT)其中Ipn为PN结电流山和η是模型常数，与工艺、器件尺寸等因素相关；q为电子电荷量为PN结两端电压；k为常数；T为外部温控的温度。第二阶段利用PN结和加热结构进行温度校准，通过给PN结加与第一阶段相同的固定电压，改变施加在加热结构两端的电流或者电压，使得PN结的环境温度得到改变，通过测量PN结的电流，当该PN结的电流与第一阶段的PN结电流一致时，就能够获得加热结构电流或者电压参数与外部温控温度的对应关系，因此，某个加热电流或者电压就对应了一个外部温控的温度值。由于自加热结构的升温时间很短，可以快速达到ms量级，因此，在MOS器件的栅极、漏极、衬底和源极端加上固定电压，而对加热结构两端电流或者电压进行线性改变，同时测量MOS器件的漏极端电流，根据加热结构两端的电流或电压与外部温控温度的关系可以得到MOS器件的温度特性。只需改变MOS器件的栅极的电压值，就可以得到MOS器件不同工作状态下的温度特性，如图6所示，两条曲线分别对应于MOS器件的不同工作状态，其中，虚线为MOS器件饱和区的工作状态；实线为MOS器件在亚阈值电压区的工作状态。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种测试MOS器件温度特性的结构，其特征在于，所述结构包括加热结构、待测试的MOS器件和PN结，所述加热结构为一侧有开口的框型电阻结构，所述MOS器件和所述PN结位于所述加热结构内部。
2.根据权利要求I所述的结构，其特征在于，所述MOS器件的衬底和源极、所述PN结的N端以及加热结构的一端共接低电位，所述加热结构的另一端接高电位。
3.根据权利要求I所述的结构，其特征在于，所述PN结用于进行温度校准。
4.一种测试MOS器件温度特性的方法，其特征在于，包括 A :利用PN结和外部温控进行第一温度校准，测量在不同温度下PN结的电流，得到PN结第一电流与外部温控温度的第一关系； B :利用PN结和加热结构进行第二温度校准，通过改变施加在加热结构两端的电流或电压，同时测量所述PN结的电流，得到PN结第二电流和加热结构两端的电流或电压的第二关系; C :当PN结第一电流和第二电流一致时，根据第一关系和第二关系，得到加热结构电流或电压与外部温控温度的第三关系； D :在MOS器件的栅极、漏极、衬底和源极端加上固定电压，并对加热结构两端的电流或电压进行线性改变，同时对MOS器件的漏极端电流进行测量，根据加热结构两端的电流或电压与外部温控温度的第三关系得到MOS器件温度特性。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过改变MOS器件栅极上的电压，得到MOS器件不同状态下的温度特性。
全文摘要
本发明提供一种测试MOS器件温度特性的结构及方法，所述结构包括一个自带加热结构的待测试MOS器件和一个PN结，所述加热结构为围绕在MOS器件和PN结周围，且在一侧有开口的框型电阻结构。通过利用加热结构快速升温的特点，对MOS器件的局部进行加热，使得升温效果显著加快；只在进行一次温度校准后，通过改变施加在加热结构两端的电流或者电压，使得MOS器件的温度特性的测试一次性就能够完成，提高了温度特性测试的效率。
文档编号G01R31/26GK102841300SQ20121034202
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者何燕冬, 张钢刚, 刘晓彦, 张兴 申请人:北京大学