一种预测半导体器件nbti寿命及其涨落的方法
【专利摘要】一种预测半导体器件NBTI寿命及其涨落的方法，仅用一个半导体器件即可预测出其最好寿命、最坏寿命和平均寿命。测试时间大大缩短，可以实现快速测量；另外，由于仅用一个半导体器件，避免了传统方法中DDV的影响，同时可以研究寿命在半导体器件之间的涨落；另外，本发明提出了最好寿命、最坏寿命和平均寿命，也即考虑了CCV的影响；最后，静态涨落的影响也可以考虑进来，进而可以全面的评价半导体器件性能的涨落。
【专利说明】一种预测半导体器件NBTI寿命及其涨落的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子器件可靠性领域，涉及到小尺寸半导体器件NBTI寿命及其涨落的预测方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件尺寸的缩小，栅介质层逐渐减薄，导致栅介质层的电场逐渐增加，使得负偏置温度不稳定性NBTI (Negative Bias Temperature Instability)引起的半导体器件性能的退化日益显著，严重影响小尺寸半导体器件的性能，成为评价半导体器件可靠性的主要问题之一。另外，栅介质层中的陷阱个数同时逐渐减少，陷阱俘获和发射载流子的随机性行为导致NBTI成为一种随机性的退化，使得半导体器件的NBTI寿命由唯一值变成随机变量，对于电路的可靠性设计和工艺条件的筛选提出了新的挑战。因此，预测小尺寸半导体器件的NBTI寿命及其涨落具有重要意义。
[0003]传统预测半导体器件NBTI寿命的方法是在恒定NBTI应力下测量半导体器件阈值电压的退化，通过幂函数拟合阈值电压退化量和应力时间的关系，得到该应力下的NBTI寿命。通过得到不同恒定应力下的半导体器件的NBTI寿命，进行外推，得到半导体器件在正常工作条件下的NBTI寿命。传统NBTI寿命预测方法需要测试多个完全相同的半导体器件，一方面测试时间长(若干小时)，不利于现代CMOS工艺选择中的快速筛检；另一方面在小尺寸半导体器件中，半导体器件之间的涨落(Device-to-device variation, DDV)变得很明显，这使得传统方法需要的多个完全相同的半导体器件的要求不再满足；另外，由于陷阱俘获和发射载流子的随机性，阈值电压退化量在不同工作周期之间出现明显的涨落(Cycle-to-cycle variation, CCV),导致用传统方法测出的阈值电压退化量随应力时间出现明显的涨落，这使得幂函数拟合方法不再适用。综合这三个方面，传统的预测NBTI寿命的方法在小尺寸半导体器件中不再适用，因此急需提出一种既适合小尺寸半导体器件又简单快速的NBTI寿命提取方法，同时能方便研究NBTI寿命的涨落，为电路设计及工艺选择提供指导。
【发明内容】
[0004]术语约定:下文出现的寿命均是指半导体器件的NBTI寿命。
[0005]本发明的目的在于提供一种高效率且适用于小尺寸半导体器件的NBTI寿命预测方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，将半导体器件的源端偏置VS与衬底偏置VB始终处于零偏置，执行如下测试步骤:
[0008]第一步，首先，在半导体器件栅端施加电压V—(取值通常在阈值电压Vthtl附近)，漏端施加电压Vddimsum (取值需满足半导体器件处于线性区)，测量应力前半导体器件的漏电流Idci ;然后在栅端施加初始应力电压Vfctass—:，漏端处于零偏置，应力时间为Λ t，在应力施加过程中，栅电压在Vestass」和Vaireasure之间循环跳转，同时漏电压在O和VD_S.之间循环跳转；每个循环中，栅电压为Vfctoss」的时间h的最大值要小于IOms ;当栅电压为Vcmeasure,漏电压为Vd_sum时监测漏电流ID，因此上述每一次循环对应一次Id的监测，将此定义为一个测试循环；
[0009]第二步，在栅端施加的应力电压以K倍增加，K〉I，即Vestass 2=Κ.ν—i，漏端仍处于零偏置，应力时间仍为Λ t，在应力施加过程中，栅电压在Vestress 2和Vteasure之间循环跳转，同时漏电压在O和V—之间循环跳转,每个循环中栅电压处于vestrass—2和V—的时间和第一步对应相同；当栅电压为漏电压为VD__时继续监测漏电流Id ;然后再把栅端的应力电压以K倍增加，重复测试，得到N次的测试结果，其中Vfctass—Ν=Κ(Ν_? *VGstress l,漏电压施加方法和第一步的施加方法相同；从第1次到第N次的过程连续进行，不存在间隔；阈值电压的退化量Λ Vth由下面的公式得到:
[0010]
【权利要求】
1.一种预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，将半导体器件的源端偏置VS与衬底偏置VB始终处于零偏置，执行如下测试步骤: 第一步，首先，在半导体器件栅端施加电压V—，漏端施加电压VD__，测量应力前半导体器件的漏电流Idci ;然后在栅端施加初始应力电压VGstass—i，漏端处于零偏置，应力时间为Λ t，在应力施加过程中，栅电压在VGstress」和Vareasure之间循环跳转，同时漏电压在O和VD_S之间循环跳转；每个循环中，栅电压为VGstass」的时间h的最大值要小于IOms ；当栅电压为Vaireasura，漏电压为VD_sura时监测漏电流Id,因此上述每一次循环对应一次Id的监测，将此定义为一个测试循环； 第二步，在栅端施加的应力电压以K倍增加，K>1，即VGstass 2=K.Vfctaess l，漏端仍处于零偏置，应力时间仍为Λ t，在应力施加过程中，栅电压在Vestass 2和之间循环跳转，同时漏电压在O和vD_sme之间循环跳转,每个循环中栅电压处于vfctMSS—2和Vemeasura的时间和第一步对应相同；当栅电压为Vemeasure,漏电压为VD__时继续监测漏电流Id ;然后再把栅端的应力电压以K倍增加，重复测试，得到N次的测试结果，其中Vfctass—Ν=Κ(Ν_? ^estress l，漏电压施加方法和第一步的施加方法相同；从第1次到第N次的过程连续进行，不存在间隔；阈值电压的退化量Λ Vth由下面的公式得到:
2.如权利要求1所述的预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，第一步中，每个循环的tQ可以相同，也可以不同；栅电压处于Vemeasme和处于VGstaessu的时间的比值小于10%。
3.如权利要求1所述的预测半导体器件NBTI寿命的方法，其^^征是，第七步中，所述的m的取值范围为O~10。
4.如权利要求1所述的预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，第八步中，ΔVthcriterim 取值为 50mV 或 30mV。
5.如权利要求1所述的预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，第八步中，ΛVthcriterion取值为应力前阈值电压Vthtl退化10%对应的值。
6.如权利要求1所述的预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，测试过程中，温度保持在125摄氏度。
7.一种预测半导体器件NBTI寿命涨落的方法，其特征是，用权利要求1所述的方法测出多个半导体器件的NBTI寿命进行对比，即可研究最好、最坏、平均这三个寿命在半导体器件与半导体器件之间的涨落，即DDV的影响。
8.一种预测半导体器件NBTI寿命涨落的方法，其特征是，用权利要求1所述的方法测出一个半导体器件的NBTI寿命，然后，定义一个函数Y，表征同一个半导体器件三个寿命之间的离散程度，用来研究CCV对寿命的影响；Y值越大，表示同一个半导体器件三个寿命之间的离散程度越大，CCV的影响越严重:
9.如权利要求8所述的预测半导体器件NBTI寿命涨落的方法，其特征是，定义变量Dvt，用以比较在消除面积影响的情况下不同工艺之间CCV的影响:
【文档编号】G01R31/26GK103884977SQ201410080903
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】黄如, 任鹏鹏, 王润声, 郝鹏, 蒋晓波 申请人:北京大学