一种预测半导体器件寿命的工作电压的方法
【专利摘要】一种预测半导体器件寿命的工作电压的方法：在半导体器件栅端施加应力电压以K倍增加，在应力施加过程中，栅电压在VGstress_2和VGmeasure之间循环跳转，漏电压在0和VDmeasure之间循环跳转，当栅电压为VGmeasure，漏电压为VDmeasure时监测漏电流ID；将多次应力下得到的ΔVth等效转换到VGstress_1下的阈值电压退化；计算出任意工作电压VG下的等效应力时间；对VG进行遍历，得到失效几率随VG的变化关系；对应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；根据目标要求的特征失效几率，确定VDD的值。本发明仅用一个半导体器件并且可以快速有效地提取目标要求的失效几率下的10年寿命对应的VDD，提供了纳米尺度半导体器件几率性VDD有效的预测方法。
【专利说明】一种预测半导体器件寿命的工作电压的方法
【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10年寿命的工 作电压的预测方法。
【背景技术】
[0002] 在半导体技术中，半导体器件10年寿命对应的工作电压VDD (本文中，VDD表示半 导体器件10年寿命对应的工作电压）是一个重要的参数，决定着半导体器件的性能、功耗 等技术指标。从另一方面来说，半导体器件在10年寿命中的可靠性问题，尤其是负偏置温 度不稳定性 NBTI (Negative Bias Temperature Instability),会严重影响 VDD 的确定。在 纳米尺度下，NBTI会引入器件可靠性退化的动态涨落，包括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)。在DDV和CCV的影响下，如何预测纳米尺度半导体器 件10年寿命对应的工作电压VDD，是纳米尺度半导体技术发展的重要问题。
[0003] 在传统大尺寸半导体器件中，业界标准是采用恒定电压应力方法（Constant voltage stress, CVS)来预测10年寿命对应的工作电压VDD。在纳米尺度半导体器件中， CVS方法将不再适用，主要由于下面两个原因：（1)CVS方法需要多个完全相同的半导体器 件，但是在纳米尺度下，由于DDV的影响，完全相同的两个半导体器件不再存在；（2)CVS方 法通常采用的是慢速测量，由于CCV的影响，纳米尺度半导体器件在某一应力电压下性能 退化随时间出现很大的涨落，导致传统的幂函数关系拟合方法不再适用，无法确定该应力 电压下的寿命，进而无法外推10年寿命对应的工作电压VDD。
【发明内容】
[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10年寿命对应的工作电 压VDD的预测方法。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种预测半导体器件寿命的工作电压的方法，应用于纳米尺度的半导体器件，其 特征是，将待测半导体器件的源电压v s与体电压VB始终置为零，然后执行如下测试步骤：
[0007] 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Veme;asure^||电压为VD_sure时监测漏电流I D ;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；
[0008] 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：
【权利要求】
1. 一种预测半导体器件寿命的工作电压的方法，应用于纳米尺度的半导体器件，其特 征是，将待测半导体器件的源电压vs与体电压V B始终置为零，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Veme;asure^||电压为VD_sure时监测漏电流I D ;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，
(2) 其中，A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 i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： ,-.,m
(4) 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： 1 η = Δ/ + Σ Σ ^ ( Ρ ^ 1)+ Σ (^· ^!) (5) p=2 q=\ 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j : = ^GwessJji ( 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，j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： VHJvt (9) 第七步，当阈值电压退化量Λ Vth转化到某一工作电压Ve后，定义该半导体器件在10 年寿命的失效几率为10年的大于失效判断标准的概率，以评价该Ve下器件退化的程 度；当阈值电压退化量△ Vth转化到其他Ve后，同样可以求得对应的失效几率；对Ve进行遍 历，得到失效几率随V e的变化关系；对应大于等于0且小于1的特征失效几率的工作电压 \即满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD ;根据目标要求的特征失效几率，确定10年 寿命对应的工作电压VDD具体值。
2. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命的工作电压的方法，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_sure和处于VestMss l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寿命的工作电压的方法，其特征是，第一步中， 在半导体器件栅端施加的电压Ve_ sura取值为Vth(l± 10mV。
4. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命的工作电压的方法，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。
5. 如权利要求1所述的预测半导体器件寿命的工作电压的方法，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的工作电压的方法，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的工作电压的方法，其特征是，测试过程 中，温度保持在125摄氏度。
【文档编号】G01R19/00GK104122492SQ201410357332
【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, 郝鹏, 蒋晓波, 郭少峰 申请人:北京大学