A Method for the Measurement of the Turn-on Condition in Mos Transistors

Metal-oxide-silicon (MOS) integrated circuits usually consist of MOS transistors and interconnections. Both. interconnections and MOS transistors are built up of diffused regions in the bulk substrate and conductive strips (metal or polycrystalline silicon) on top of the oxide. For proper electrical operation the interconnection paths should not exhibit MOS transistor effects, i.e. should not induce inversion layers at the silicon-silicon dioxide interface. Furthermore from a designer’s point of view it will be desired that some transistors operate in the saturated mode and others in the non-saturated mode. This implies that a method for the determination of the turn-on of channel conduction is highly desirable for designers of MOS integrated circuits. Using a straightforward definition of turn-on. a fast and simple measurement method will be presented for the determination of the relation between gate voltage and diffused region voltage for MOST structures in the turn-on condition. RCsumCLes circuits integrks MOS (m&al-oxyde-silicium) se composent en gtntral de transistors MOS et d’interconnexions. Les deux sont composts de regions diffusees dans la base et de bandes conductibles (m&l ou silicium polycristallin) au dessus de I’oxyde. Pour une bonne opCration les interconnexions ne peuvent pas montrer des effets de transistor MOS, c.2.d. ils ne peuvent pas induire des couches d’inversion B la couche intermkdiaire entre I’oxyde et le silicium. En outre il faut que quelques transistors travaillent dans le mode sat& et d’autres dans le mode non-satur6. Cela implique qu’il est t&s dCsirable de disposer d’une mCthode de dCterminer la tension de seuil de la conduction du canal. Utilissant une dtfinition gt5nCrale de la condition de seuil, une mBthode rapide et simple est presentee g dCterminer expCrimentalement la relation entre la tension de la grille et la tension de la rkgion diffusee pour les structures de transistors MOS dans la condition de seuil. Zusammenfassung Metall-Oxyd-Silizium (MOS) integrierte Schaltungen bestehen im allgemeinen aus MOS-Transistoren und deren Verbindungen. Sowohl die Verbindungen als such die MOSTransistoren sind aus diffundierten Regionen im Substrat und leitfihigen Streifen (Metall oder polykristallinischem Silizium) auf dem Oxyd aufgebaut. Fiir richtiges elektrisches Verhalten diirfen die Verbindungsstreifen keine MOS-Transistoreffekte aufweisen. das heisst sie diirfen keine Inversionsschichten an der Grenzfliiche des Silizium-Siliziumdioxydes induzieren. Weiterhin ist es vom Entwicklungsstandpunkt erwiinscht dass manche Transistoren im Siittigungsbereich arbeiten, wlhrend andere im ungesiittigten Zustand betrieben werden. Dass bedeutet, dass eine Methode zur Bestimmung des Schwellenwertes der Kanalleitfihigkeit fiir den Entwerfer der MOS-integrierten Schaltungen besonders wiinschenswert ist. Ausgehend von einer allgemeinen Definition des Schwellenwertes wird eine schnelle und einfache Messungsmethode vorgestellt. Sie dient zur Bestimmung der Beziehungen zwischen Gatespannung und der Spannung der diffundierten Regionen ftir MOSTStrukturen, die sich gerade im Schwellenwert befinden. NOTATION Q oz (~EE,,~N~)‘:~ oxide capacitance per unit area sheet conductance of channel (mho per square) G W/L = channel conductance drain current junction reverse bias leakage current channel length net impurity concentration in the bulk magnitude of electronic charge mobile inversion layer charge per unit area V8 1093 oxide charge per unit area, effectively located near the Si-SiO, interface surface state charge per unit area at the Si-SiO, interface oxide thickness drain voltage with respect to bulk VI?---v, gate voltage with respect to bulk gate voltage in the turn-on condition. for which channel conduction sets in source voltage with respect to bulk