一種預測半導體器件nbti壽命及其漲落的方法
2023-10-10 11:46:34
一種預測半導體器件nbti壽命及其漲落的方法
【專利摘要】一種預測半導體器件NBTI壽命及其漲落的方法，僅用一個半導體器件即可預測出其最好壽命、最壞壽命和平均壽命。測試時間大大縮短，可以實現快速測量；另外，由於僅用一個半導體器件，避免了傳統方法中DDV的影響，同時可以研究壽命在半導體器件之間的漲落；另外，本發明提出了最好壽命、最壞壽命和平均壽命，也即考慮了CCV的影響；最後，靜態漲落的影響也可以考慮進來，進而可以全面的評價半導體器件性能的漲落。
【專利說明】一種預測半導體器件NBTI壽命及其漲落的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於微電子器件可靠性領域，涉及到小尺寸半導體器件NBTI壽命及其漲落的預測方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體器件尺寸的縮小，柵介質層逐漸減薄，導致柵介質層的電場逐漸增加，使得負偏置溫度不穩定性NBTI (Negative Bias Temperature Instability)引起的半導體器件性能的退化日益顯著，嚴重影響小尺寸半導體器件的性能，成為評價半導體器件可靠性的主要問題之一。另外，柵介質層中的陷阱個數同時逐漸減少，陷阱俘獲和發射載流子的隨機性行為導致NBTI成為一種隨機性的退化，使得半導體器件的NBTI壽命由唯一值變成隨機變量，對於電路的可靠性設計和工藝條件的篩選提出了新的挑戰。因此，預測小尺寸半導體器件的NBTI壽命及其漲落具有重要意義。
[0003]傳統預測半導體器件NBTI壽命的方法是在恆定NBTI應力下測量半導體器件閾值電壓的退化，通過冪函數擬合閾值電壓退化量和應力時間的關係，得到該應力下的NBTI壽命。通過得到不同恆定應力下的半導體器件的NBTI壽命，進行外推，得到半導體器件在正常工作條件下的NBTI壽命。傳統NBTI壽命預測方法需要測試多個完全相同的半導體器件，一方面測試時間長(若干小時)，不利於現代CMOS工藝選擇中的快速篩檢；另一方面在小尺寸半導體器件中，半導體器件之間的漲落(Device-to-device variation, DDV)變得很明顯，這使得傳統方法需要的多個完全相同的半導體器件的要求不再滿足；另外，由於陷阱俘獲和發射載流子的隨機性，閾值電壓退化量在不同工作周期之間出現明顯的漲落(Cycle-to-cycle variation, CCV),導致用傳統方法測出的閾值電壓退化量隨應力時間出現明顯的漲落，這使得冪函數擬合方法不再適用。綜合這三個方面，傳統的預測NBTI壽命的方法在小尺寸半導體器件中不再適用，因此急需提出一種既適合小尺寸半導體器件又簡單快速的NBTI壽命提取方法，同時能方便研究NBTI壽命的漲落，為電路設計及工藝選擇提供指導。
【發明內容】
[0004]術語約定:下文出現的壽命均是指半導體器件的NBTI壽命。
[0005]本發明的目的在於提供一種高效率且適用於小尺寸半導體器件的NBTI壽命預測方法。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]—種預測半導體器件NBTI壽命的方法，其特徵是，將半導體器件的源端偏置VS與襯底偏置VB始終處於零偏置，執行如下測試步驟:
[0008]第一步，首先，在半導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 (取值需滿足半導體器件處於線性區)，測量應力前半導體器件的漏電流Idci ;然後在柵端施加初始應力電壓Vfctass—:，漏端處於零偏置，應力時間為Λ t，在應力施加過程中，柵電壓在Vestass」和Vaireasure之間循環跳轉，同時漏電壓在O和VD_S.之間循環跳轉；每個循環中，柵電壓為Vfctoss」的時間h的最大值要小於IOms ;當柵電壓為Vcmeasure,漏電壓為Vd_sum時監測漏電流ID，因此上述每一次循環對應一次Id的監測，將此定義為一個測試循環；
[0009]第二步，在柵端施加的應力電壓以K倍增加，K〉I，即Vestass 2=Κ.ν—i，漏端仍處於零偏置，應力時間仍為Λ t，在應力施加過程中，柵電壓在Vestress 2和Vteasure之間循環跳轉，同時漏電壓在O和V—之間循環跳轉,每個循環中柵電壓處於vestrass—2和V—的時間和第一步對應相同；當柵電壓為漏電壓為VD__時繼續監測漏電流Id ;然後再把柵端的應力電壓以K倍增加，重複測試，得到N次的測試結果，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次的過程連續進行，不存在間隔；閾值電壓的退化量Λ Vth由下面的公式得到:
[0010]
【權利要求】
1.一種預測半導體器件NBTI壽命的方法，其特徵是，將半導體器件的源端偏置VS與襯底偏置VB始終處於零偏置，執行如下測試步驟: 第一步，首先，在半導體器件柵端施加電壓V—，漏端施加電壓VD__，測量應力前半導體器件的漏電流Idci ;然後在柵端施加初始應力電壓VGstass—i，漏端處於零偏置，應力時間為Λ t，在應力施加過程中，柵電壓在VGstress」和Vareasure之間循環跳轉，同時漏電壓在O和VD_S之間循環跳轉；每個循環中，柵電壓為VGstass」的時間h的最大值要小於IOms ；當柵電壓為Vaireasura，漏電壓為VD_sura時監測漏電流Id,因此上述每一次循環對應一次Id的監測，將此定義為一個測試循環； 第二步，在柵端施加的應力電壓以K倍增加，K>1，即VGstass 2=K.Vfctaess l，漏端仍處於零偏置，應力時間仍為Λ t，在應力施加過程中，柵電壓在Vestass 2和之間循環跳轉，同時漏電壓在O和vD_sme之間循環跳轉,每個循環中柵電壓處於vfctMSS—2和Vemeasura的時間和第一步對應相同；當柵電壓為Vemeasure,漏電壓為VD__時繼續監測漏電流Id ;然後再把柵端的應力電壓以K倍增加，重複測試，得到N次的測試結果，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次的過程連續進行，不存在間隔；閾值電壓的退化量Λ Vth由下面的公式得到:
2.如權利要求1所述的預測半導體器件NBTI壽命的方法，其特徵是，第一步中，每個循環的tQ可以相同，也可以不同；柵電壓處於Vemeasme和處於VGstaessu的時間的比值小於10%。
3.如權利要求1所述的預測半導體器件NBTI壽命的方法，其^^徵是，第七步中，所述的m的取值範圍為O~10。
4.如權利要求1所述的預測半導體器件NBTI壽命的方法，其特徵是，第八步中，ΔVthcriterim 取值為 50mV 或 30mV。
5.如權利要求1所述的預測半導體器件NBTI壽命的方法，其特徵是，第八步中，ΛVthcriterion取值為應力前閾值電壓Vthtl退化10%對應的值。
6.如權利要求1所述的預測半導體器件NBTI壽命的方法，其特徵是，測試過程中，溫度保持在125攝氏度。
7.一種預測半導體器件NBTI壽命漲落的方法，其特徵是，用權利要求1所述的方法測出多個半導體器件的NBTI壽命進行對比，即可研究最好、最壞、平均這三個壽命在半導體器件與半導體器件之間的漲落，即DDV的影響。
8.一種預測半導體器件NBTI壽命漲落的方法，其特徵是，用權利要求1所述的方法測出一個半導體器件的NBTI壽命，然後，定義一個函數Y，表徵同一個半導體器件三個壽命之間的離散程度，用來研究CCV對壽命的影響；Y值越大，表示同一個半導體器件三個壽命之間的離散程度越大，CCV的影響越嚴重:
9.如權利要求8所述的預測半導體器件NBTI壽命漲落的方法，其特徵是，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】G01R31/26GK103884977SQ201410080903
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】黃如, 任鵬鵬, 王潤聲, 郝鵬, 蔣曉波 申請人:北京大學