预测半导体器件寿命终点时nbti动态涨落的方法
【专利摘要】一种预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，包括：通过对半导体器件进行测试，获取半导体器件在寿命终点时的失效几率；通过对多个半导体器件进行测试，获取某工作电压VG对应的特征失效几率；求出不同VG下在寿命终点时阈值电压的退化量ΔVth的均值在不同器件之间的方差，以及ΔVth的方差在不同器件之间的方差，以及不同VG对应的特征失效几率；对应大于等于0且小于1的特征失效几率的工作电压VG即满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD；这样，在半导体器件寿命终点时的NBTI动态涨落就可以表征出来。本发明提供了纳米尺度半导体器件寿命终点时的NBTI动态涨落有效的预测方法。
【专利说明】预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子器件可靠性领域，涉及到纳米尺度半导体器件寿命终点时NBTI 动态涨落的预测方法。
【背景技术】
[0002] 在纳米尺度半导体器件中，负偏置温度不稳定性NBTI (Negative Bias Temperature Instability)引入的动态涨落会直接影响电路的稳定性，并且随着半导体 器件尺寸的缩小而呈现逐渐增大的趋势。从另一方面来说，随着半导体器件的老化，尤 其在半导体器件寿命的终点时，栅氧化层陷阱的产生，导致NBTI动态涨落的影响越来越 显著。因此，研究寿命终点下的NBTI动态涨落，并且把半导体器件与半导体器件之间的 涨落（Device-to-device variation, DDV)以及半导体器件在不同工作循环之间的涨落 (Cycle-to-cycle variation, CCV)均考虑进来，对于纳米尺度下的电路设计具有重要指导 意义。目前尚没有适用于纳米尺度半导体器件的相关评价方法提出，因此亟需提出一种评 价纳米尺度半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法。
【发明内容】
[0003] 术语约定：本文出现的寿命终点均是指半导体器件第10年的寿命。
[0004] 本发明的目的在于提供一种适用于纳米尺度半导体器件在寿命终点时NBTI动态 涨落的预测方法。
[0005] 在纳米尺度下，本发明提出半导体器件在寿命终点时的NBTI动态涨落必须用三 维的观点来看待。由于CCV和DDV的影响，纳米尺度半导体器件能满足10年寿命的正常工 作电压VDD不再是定值，即有无数个VDD均可以满足半导体器件10年的寿命要求。对于寿 命终点时的三维NBTI动态涨落，一个维度是VDD，在每一个VDD下，寿命终点时的NBTI动态 涨落是一个二维问题：一个维度是每个器件退化的均值在器件之间的涨落，另一个维度是 每个器件退化的方差在器件之间的涨落。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，应用于纳米尺度的半导 体器件，其特征是，首先，将半导体器件的源电压V s与体电压VB始终置为0,然后，执行如下 测试步骤：
[0008] 第一步，在半导体器件栅端施加电压Ve_SUM，漏端施加电压V D_S_，测量应力前半 导体器件的漏端电流ΙΜ ;然后在栅端施加初始应力电压Vestass l，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Vestess」和之间循环跳转，同时漏电压在0和 %__之间循环跳转；每个循环中，栅电压为V fctass」的时间h的最大值要小于10ms ;当栅 电压为，漏电压为VD__时监测漏电流ID，上述每一次循环对应一次I D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> 1，即Vfctass 2 = K · vestoss」，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Vfctass 2和Ve_SUM之 间循环跳转，同时漏电压在0和VD_SUM之间循环跳转，每个循环中栅电压处于VestMSS 2和 Ve_sure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Vestass_N = Kfrl) ，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；阈值电压的退化量由下面的公式得到：
[0010]
【权利要求】
1. 一种预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，应用于纳米尺度的半导体 器件，其特征是，首先，将半导体器件的源电压V s与体电压VB始终置为0,然后，执行如下测 试步骤： 第一步，在半导体器件栅端施加电压，漏端施加电压VD_S_，测量应力前半导 体器件的漏端电流ΙΜ ;然后在栅端施加初始应力电压l，漏端处于零偏置，应力时间 为Δ t，在应力施加过程中，栅电压在Vestass」和之间循环跳转，同时漏电压在0和 %__之间循环跳转；每个循环中，栅电压为V fctass」的时间h的最大值要小于10ms ;当栅 电压为，漏电压为VD__时监测漏电流ID，上述每一次循环对应一次I D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Vestass 2 = K ，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Ve_sure之间循环跳转， 同时漏电压在〇和vD_sme之间循环跳转，每个循环中栅电压处于vfctMSS_ 2和ve_sura的时间 和第一步对应相同；当栅电压为ve_ sure，漏电压为VD_SUM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 N = Kfrl) 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AVth由下面的公式得到：
(1) 其中，ID是施加应力后每次测量到的漏电流，VtM是应力前半导体器件的阈值电压； 第三步，由于NBTI应力下阈值电压的退化AVth满足， ΔΚ:， ⑵ 其中，Α是前置系数，m是栅端应力电压的指数因子，Vfctass是在栅端施加的应力电压， η是应力时间的指数因子，t是栅端所加的总的应力时间；将第一步中VestMSS」下，Λ Vth随 应力时间t的数据，根据公式（2)进行幂函数拟合，得到对应的η值和; 第四步，将第2次至第N次应力下得到的Λ Vth等效地转换到VestMSS」下的阈值电压退 化，如公式（3)所示：
(3) 其中是每次应力下，第i个测试循环对应的栅电压为应力电压的时间； 把第2次至第N次应力下每个测试循环对应的应力时间、转换到Vfctass l下的等效应 力时间，如公式（4)所示：
⑷ 在转换后，第j次应力第i个测试循环对应的总的应力时间^为： hi = Δ? + Σ Σ hif-q ^ !)+ Σ ^<#-9 U ^!) (..).) /7=2 t/=l q=\ 其中，C为每一次应力下测试循环的次数；这样使得原本应力逐渐增加的阈值电压退 化转化成恒定应力下总的应力时间为h的阈值电压退化； 第五步，由转换后的总的应力时间tji，按照公式（2)计算出转换后第j次应力第i个 测试循环对应的: = ^GsireSSj"i ( 6 ) 转换前后总的AVth之间的误差为：
(7) 其中，C为每一次应力下测试循环的次数，AVthifM^为转换前第j次应力第i个测 试循环测到的ID按照公式（1)转换的阈值电压退化量；得到的误差Error是m的函数；对 m的取值范围进行遍历，由最小的误差Error得到最优的m值；由第三步得到的J计 算出A值； 第六步，按照第五步得出的m值和A值及第三步得出的η值，转换到VfctMss l下总的等 效应力时间为
(8) 同样，该等效应力时间根据公式（9)，可以转换到任意工作电压Ve下的等效应力时间： (9) 第七步，当阈值电压退化量AVth转化到某一工作电压Ve后，取10年对应的AVth的分 布，进而可以求出这个半导体器件在寿命终点时退化的均值和方差，以及半导体器件 在寿命终点时的失效几率，即AVth满足失效判断标准的概率； 第八步，在多个同样尺寸同样工艺的半导体器件上重复上述过程，在和第七步相同的 工作电压\下，分别求出一组AVth的均值和方差，以及失效几率；在该Ve下，进而可以求出 八^的均值在不同器件之间的方差，以及八^的方差在不同器件之间的方差，以及失效几 率在不同器件之间的均值，记为该\对应的特征失效几率； 第九步，重复执行第七步和第八步，把AVth转化到其他Ve下，求出不同Ve下 均值在不同器件之间的方差，以及的方差在不同器件之间的方差，以及不同Ve对应的 特征失效几率；对应大于等于〇且小于1的特征失效几率的工作电压V e即满足半导体器件 10年寿命的工作电压VDD ;这样，在半导体器件寿命终点时的NBTI动态涨落就可以表征出 来。
2. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，其特征是， 第一步中，在半导体器件栅端施加的电压V e_SUM取值为VtM±10mV。
3. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，其特征是， 第一步中，在漏端施加的电压VD_ SUM取值需满足半导体器件处于线性区。
4. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，其特征是， 第一步中，每个循环的h可以相同，也可以不同；栅电压处于V e_SUM和处于Vfctass l的时间 的比值小于10%。
5. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，其特征是， 第五步中，所述的m的取值范围为0?10。
6. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，其特征是， 第七步中所述的失效判断标准为：AVth = 50mV。
7. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，其特征是， 第八步中所述同样尺寸同样工艺的半导体器件需要至少30个。
8.如权利要求1所述的预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，其特征是， 测试过程中，温度保持在125摄氏度。
【文档编号】G01R31/26GK104122491SQ201410356635
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】黄如, 任鹏鹏, 王润声, 蒋晓波, 郝鹏, 罗牧龙 申请人:北京大学