一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件nbti壽命及其漲落的方法
【專利摘要】一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命及其漲落的方法，僅用一個(gè)半導(dǎo)體器件即可預(yù)測(cè)出其最好壽命、最壞壽命和平均壽命。測(cè)試時(shí)間大大縮短，可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量；另外，由于僅用一個(gè)半導(dǎo)體器件，避免了傳統(tǒng)方法中DDV的影響，同時(shí)可以研究壽命在半導(dǎo)體器件之間的漲落；另外，本發(fā)明提出了最好壽命、最壞壽命和平均壽命，也即考慮了CCV的影響；最后，靜態(tài)漲落的影響也可以考慮進(jìn)來，進(jìn)而可以全面的評(píng)價(jià)半導(dǎo)體器件性能的漲落。
【專利說明】一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命及其漲落的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件可靠性領(lǐng)域，涉及到小尺寸半導(dǎo)體器件NBTI壽命及其漲落的預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體器件尺寸的縮小，柵介質(zhì)層逐漸減薄，導(dǎo)致柵介質(zhì)層的電場(chǎng)逐漸增加，使得負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性NBTI (Negative Bias Temperature Instability)引起的半導(dǎo)體器件性能的退化日益顯著，嚴(yán)重影響小尺寸半導(dǎo)體器件的性能，成為評(píng)價(jià)半導(dǎo)體器件可靠性的主要問題之一。另外，柵介質(zhì)層中的陷阱個(gè)數(shù)同時(shí)逐漸減少，陷阱俘獲和發(fā)射載流子的隨機(jī)性行為導(dǎo)致NBTI成為一種隨機(jī)性的退化，使得半導(dǎo)體器件的NBTI壽命由唯一值變成隨機(jī)變量，對(duì)于電路的可靠性設(shè)計(jì)和工藝條件的篩選提出了新的挑戰(zhàn)。因此，預(yù)測(cè)小尺寸半導(dǎo)體器件的NBTI壽命及其漲落具有重要意義。
[0003]傳統(tǒng)預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法是在恒定NBTI應(yīng)力下測(cè)量半導(dǎo)體器件閾值電壓的退化，通過冪函數(shù)擬合閾值電壓退化量和應(yīng)力時(shí)間的關(guān)系，得到該應(yīng)力下的NBTI壽命。通過得到不同恒定應(yīng)力下的半導(dǎo)體器件的NBTI壽命，進(jìn)行外推，得到半導(dǎo)體器件在正常工作條件下的NBTI壽命。傳統(tǒng)NBTI壽命預(yù)測(cè)方法需要測(cè)試多個(gè)完全相同的半導(dǎo)體器件，一方面測(cè)試時(shí)間長(若干小時(shí))，不利于現(xiàn)代CMOS工藝選擇中的快速篩檢；另一方面在小尺寸半導(dǎo)體器件中，半導(dǎo)體器件之間的漲落(Device-to-device variation, DDV)變得很明顯，這使得傳統(tǒng)方法需要的多個(gè)完全相同的半導(dǎo)體器件的要求不再滿足；另外，由于陷阱俘獲和發(fā)射載流子的隨機(jī)性，閾值電壓退化量在不同工作周期之間出現(xiàn)明顯的漲落(Cycle-to-cycle variation, CCV),導(dǎo)致用傳統(tǒng)方法測(cè)出的閾值電壓退化量隨應(yīng)力時(shí)間出現(xiàn)明顯的漲落，這使得冪函數(shù)擬合方法不再適用。綜合這三個(gè)方面，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)NBTI壽命的方法在小尺寸半導(dǎo)體器件中不再適用，因此急需提出一種既適合小尺寸半導(dǎo)體器件又簡單快速的NBTI壽命提取方法，同時(shí)能方便研究NBTI壽命的漲落，為電路設(shè)計(jì)及工藝選擇提供指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]術(shù)語約定:下文出現(xiàn)的壽命均是指半導(dǎo)體器件的NBTI壽命。
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高效率且適用于小尺寸半導(dǎo)體器件的NBTI壽命預(yù)測(cè)方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法，其特征是，將半導(dǎo)體器件的源端偏置VS與襯底偏置VB始終處于零偏置，執(zhí)行如下測(cè)試步驟:
[0008]第一步，首先，在半導(dǎo)體器件柵端施加電壓V—(取值通常在閾值電壓Vthtl附近)，漏端施加電壓Vddimsum (取值需滿足半導(dǎo)體器件處于線性區(qū))，測(cè)量應(yīng)力前半導(dǎo)體器件的漏電流Idci ;然后在柵端施加初始應(yīng)力電壓Vfctass—:，漏端處于零偏置，應(yīng)力時(shí)間為Λ t，在應(yīng)力施加過程中，柵電壓在Vestass」和Vaireasure之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)漏電壓在O和VD_S.之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)；每個(gè)循環(huán)中，柵電壓為Vfctoss」的時(shí)間h的最大值要小于IOms ;當(dāng)柵電壓為Vcmeasure,漏電壓為Vd_sum時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流ID，因此上述每一次循環(huán)對(duì)應(yīng)一次Id的監(jiān)測(cè)，將此定義為一個(gè)測(cè)試循環(huán)；
[0009]第二步，在柵端施加的應(yīng)力電壓以K倍增加，K〉I，即Vestass 2=Κ.ν—i，漏端仍處于零偏置，應(yīng)力時(shí)間仍為Λ t，在應(yīng)力施加過程中，柵電壓在Vestress 2和Vteasure之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)漏電壓在O和V—之間循環(huán)跳轉(zhuǎn),每個(gè)循環(huán)中柵電壓處于vestrass—2和V—的時(shí)間和第一步對(duì)應(yīng)相同；當(dāng)柵電壓為漏電壓為VD__時(shí)繼續(xù)監(jiān)測(cè)漏電流Id ;然后再把柵端的應(yīng)力電壓以K倍增加，重復(fù)測(cè)試，得到N次的測(cè)試結(jié)果，其中Vfctass—Ν=Κ(Ν_? *VGstress l,漏電壓施加方法和第一步的施加方法相同；從第1次到第N次的過程連續(xù)進(jìn)行，不存在間隔；閾值電壓的退化量Λ Vth由下面的公式得到:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法，其特征是，將半導(dǎo)體器件的源端偏置VS與襯底偏置VB始終處于零偏置，執(zhí)行如下測(cè)試步驟: 第一步，首先，在半導(dǎo)體器件柵端施加電壓V—，漏端施加電壓VD__，測(cè)量應(yīng)力前半導(dǎo)體器件的漏電流Idci ;然后在柵端施加初始應(yīng)力電壓VGstass—i，漏端處于零偏置，應(yīng)力時(shí)間為Λ t，在應(yīng)力施加過程中，柵電壓在VGstress」和Vareasure之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)漏電壓在O和VD_S之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)；每個(gè)循環(huán)中，柵電壓為VGstass」的時(shí)間h的最大值要小于IOms ；當(dāng)柵電壓為Vaireasura，漏電壓為VD_sura時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流Id,因此上述每一次循環(huán)對(duì)應(yīng)一次Id的監(jiān)測(cè)，將此定義為一個(gè)測(cè)試循環(huán)； 第二步，在柵端施加的應(yīng)力電壓以K倍增加，K>1，即VGstass 2=K.Vfctaess l，漏端仍處于零偏置，應(yīng)力時(shí)間仍為Λ t，在應(yīng)力施加過程中，柵電壓在Vestass 2和之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)漏電壓在O和vD_sme之間循環(huán)跳轉(zhuǎn),每個(gè)循環(huán)中柵電壓處于vfctMSS—2和Vemeasura的時(shí)間和第一步對(duì)應(yīng)相同；當(dāng)柵電壓為Vemeasure,漏電壓為VD__時(shí)繼續(xù)監(jiān)測(cè)漏電流Id ;然后再把柵端的應(yīng)力電壓以K倍增加，重復(fù)測(cè)試，得到N次的測(cè)試結(jié)果，其中Vfctass—Ν=Κ(Ν_? ^estress l，漏電壓施加方法和第一步的施加方法相同；從第1次到第N次的過程連續(xù)進(jìn)行，不存在間隔；閾值電壓的退化量Λ Vth由下面的公式得到:
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法，其特征是，第一步中，每個(gè)循環(huán)的tQ可以相同，也可以不同；柵電壓處于Vemeasme和處于VGstaessu的時(shí)間的比值小于10%。
3.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法，其^^征是，第七步中，所述的m的取值范圍為O~10。
4.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法，其特征是，第八步中，ΔVthcriterim 取值為 50mV 或 30mV。
5.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法，其特征是，第八步中，ΛVthcriterion取值為應(yīng)力前閾值電壓Vthtl退化10%對(duì)應(yīng)的值。
6.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命的方法，其特征是，測(cè)試過程中，溫度保持在125攝氏度。
7.一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命漲落的方法，其特征是，用權(quán)利要求1所述的方法測(cè)出多個(gè)半導(dǎo)體器件的NBTI壽命進(jìn)行對(duì)比，即可研究最好、最壞、平均這三個(gè)壽命在半導(dǎo)體器件與半導(dǎo)體器件之間的漲落，即DDV的影響。
8.一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命漲落的方法，其特征是，用權(quán)利要求1所述的方法測(cè)出一個(gè)半導(dǎo)體器件的NBTI壽命，然后，定義一個(gè)函數(shù)Y，表征同一個(gè)半導(dǎo)體器件三個(gè)壽命之間的離散程度，用來研究CCV對(duì)壽命的影響；Y值越大，表示同一個(gè)半導(dǎo)體器件三個(gè)壽命之間的離散程度越大，CCV的影響越嚴(yán)重:
9.如權(quán)利要求8所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件NBTI壽命漲落的方法，其特征是，定義變量Dvt，用以比較在消除面積影響的情況下不同工藝之間CCV的影響:
【文檔編號(hào)】G01R31/26GK103884977SQ201410080903
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月6日
【發(fā)明者】黃如, 任鵬鵬, 王潤聲, 郝鵬, 蔣曉波 申請(qǐng)人:北京大學(xué)