专利名称：一种加速热载流子注入测试的方法
技术领域：
本发明涉及半导体测试技术领域，特别是关于一种加速热载流子注入测试以预测热载流子MOS(金属氧化物半导体)直流寿命预测。
背景技术：
目前，对于超大规模集成电路制造产业，随着MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)装置尺寸的不断减小，现在已经缩小到亚微米和深亚微米，且向超深亚微米发展，但在MOS器件尺寸等比例缩小的同时，器件工作电压并未随之等比例减小，使沟道热载流子的形成几率大大增加，并在硅-二氧化硅界面产生界面态，或被栅极氧化层中的电荷陷阱俘获，导致器件特性，如阈值电压、跨导和线性区及饱和区漏电流的退化增加。
在亚微米和深亚微米工艺中，热载流子注入效应已经成为限制超大规模集成电路最大器件密度的主要可靠性因素之一。有研究表明，深亚微米MOS器件在漏极偏置电压低于1.8V时，仍会出现热载流子退化现象。因此即使器件的工作电压大幅降至2V，仍不足以有效地防止热载流子注入的器件损伤。
基于以上的介绍热载流子注入效应是亚微米和深亚微米工艺MOS器件失效的最主要的因素之一，而且热载流子效应引起的器件退化是一种累积效应，与器件使用时间成一定关系。因此，可以采用热载流子注入测试以预测热载流子MOS直流寿命预测。即对所测试的MOS器件进行热载流子注入直至其器件参数失效，所需耗费的时间就是器件的失效时间。目前常用的器件将漏极饱和电流ΔIdsat＝10％作为失效判据。
目前一般工艺加工的MOS器件的寿命长达10多年甚至几十年。因此，采用与实际工作状态相仿的热载流子注入来进行失效测试是不可行的。常用的办法是进行加速应力条件下热载流子注入的器件失效实验。在室温下以一定偏置条件对器件施加加速应力电压，开始应力循环，直至参数退化超过实验终止条件。
在加速应力条件下热载流子注入的器件失效实验中，应力电压需要在较大范围内变化，而为了确定实验的偏置条件，首先需确定漏-源端应力电压以防止晶体管被击穿。
可见在加速应力条件下热载流子注入的器件失效实验中，由于漏-源端应力电压选择的限制其加快速度仍受一定限制，不能高效率地进行失效实验。
目前的热载流子注入测试总是在室温下测试以预测寿命，这就需要花费很长对MOS场效应器件进行测试以取得结果。而这会浪费机器测试时间并延迟数据分析时间，因此增加了成本。为了解决这个问题，需要开发了一种新技术以加速MOS热载流子注入测试时间以节省时间和成本。
发明内容
本发明的目的为解决上述现有技术问题，加速热载流子注入测试以预测热载流子MOS直流寿命预测。
本发明提供一种加速热载流子注入测试方法，包括以下步骤a.分别测量不同温度下的在不同偏置电压下漏极电流、衬底电流相对时间的曲线；b.设定失效条件，将达到该失效条件的时间称为失效时间；c.将失效时间与漏极饱和电流之积和衬底电流与漏极饱和电流之商在坐标上绘出得出它们相互之间的关系式；d.将失效时间与温度在坐标上绘出得出它们之间相互关系；e.在低温下进行失效试验，根据失效时间与温度的关系推出其他温度下的失效时间。
其中，所述的失效时间是以10％漏极饱和电流衰退为标准得到应力时间。失效时间与漏极饱和电流之积和衬底电流与漏极饱和电流之商的关系是TTF*Id＝A*(Isub/Id)^m，其中TTF是失效时间单位秒，Id是漏极电流单位安培，Isub是衬底电流单位安培，A和m是根据图形得出的系数。所述的失效时间与温度的关系为TTF＝[A*(Isub/Id)^m]/Id*EXP[B*(1/T-1/Tnom)]。其中，T是开氏温度，Tnom为298K，B是根据图形得出的系数。所述的低温为摄氏零下40度。所述的其他温度的范围为零下40度至零上150度。
本发明的有益效果是，因为低温下的Isub和Idsat大于室温下量测到的MOS场效应管热特性，因此我们可依在低温下测试MOS场效应管，以能够比室温下更快地获得测试数据。然后我们根据方程预测寿命。其优点是低温下的测量会加快测量时间迅速地获得预测寿命结果。
节约时间将会节省机器的利用率，因此能进行更多的测量并同时节省时间。此外，另一个优点是我们能够预测在高温下热载流子注入寿命，因为大多数器件是在高温下工作的。
图1是本发明的NMOS管在室温下对于不同漏源电压漏极饱和电流衰退与时间关系坐标图；图2是本发明的NMOS管在摄氏零下40度对于不同漏源电压漏极饱和电流衰退与时间关系坐标图；图3是本发明热载流子注入寿命在不同温度和漏源电压下对于衬底电流与漏极电流之商的关系坐标图；图4是本发明热载流子寿命在不同漏极电压下对于1/T-1/Tnom的关系坐标图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方案，对本发明作进一步的说明。
在本发明的一个实施例中，以NMOS管为例简要解释本发明。首先根据传统方法测量不同温度下MOS热载流子注入数据，在该过程中测量漏极电流Id和衬底电流Isub在不同的漏源电压Vds和栅源电压Vgs(最大Isub偏置)下相对应的应力时间。并设定以10％漏极饱和电流Idsat衰退为标准得到应力时间称之为失效时间。
请参阅图1，图1是本发明的NMOS管在室温下对于不同漏源电压漏极饱和电流衰退与时间关系坐标图。在本实施例中使用的是一个典型器件，其宽长比为10/0.35。漏源电压Vds取四组值，在图1中从上到下分别为漏源电压Vds＝4.7V、Vds＝4.5V、Vds＝4.3V、Vds＝4.1V的四组漏极饱和电流衰退百分比与时间的对应关系，其中时间单位为秒。
再请参阅图2，图2是本发明的NMOS管在摄氏零下40度对于不同漏源电压漏极饱和电流衰退与时间关系坐标图。在图2中，其他条件与图1一致，但将温度设为摄氏零下40度，从图中可以看出四组漏极饱和电流衰退百分比到达预设的10％漏极饱和电流Idsat衰退标准均较室温下有所提前。且提前量基本相同。
接下来，可以将失效时间与饱和电流之积TTF*Idsat相对衬底电流与漏极饱和电流之商Isub/Idsat在不同温度的关系找出，以获得斜率A和指数系数m。其关系方程可以被写为TTF*Id＝A*(Isub/Id)^m(1)请参阅图3，图3是本发明热载流子注入寿命在不同温度和漏源电压下对于衬底电流与漏极电流之商的关系坐标图。在图3中有四组温度图形最高点从上至下分别为摄氏25度、零下15度、零下40度、85度。漏极电压从上至下分别为4.1V、4.3V、4.5V、4.7V。实验对象是一个3.3.V的NMOS器件。
最后，可以得到失效时间相对于温度的关系，其方程式如下TTF＝EXP[B*(1/T-1/Tnom)+C](2)TTF＝EXP[B*(1/T-1/Tnom)]*EXP(C)＝[A*(Isub/Id)^m]/Id*EXP[B*(1/T-1/Tnom)] (3)其中，EXP(C)＝[A*(Isub/Id)^m]/Id，T是开氏温度，Tnom为298K。
请参阅图4，图4是本发明热载流子寿命在不同漏极电压下对于1/T-1/Tnom的关系坐标图。
如果采用方程(1)来像传统方法那样预测室温下的寿命，也能预测如方程(2)、(3)中的不同情况下的寿命。也就是说，能够在零下的温度下测试MOS管以加速测试时间。然后用相关方程来计算室温下的寿命。这样就能够预测直流热载流子在室温下的寿命。在本实施例中，我们能够看到零下40度寿命是25度温度下的一半。
因为低温下的Isub和Idsat大于室温下量测到的MOS场效应管热特性，因此我们可依在低温下测试MOS场效应管，以能够比室温下更快地获得测试数据。然后我们根据方程预测寿命。其优点是低温下的测量会加快测量时间迅速地获得预测寿命结果。
节约时间将会节省机器的利用率，因此能进行更多的测量并同时节省时间。此外，另一个优点是我们能够预测在高温下热载流子注入寿命，因为大多数器件是在高温下工作的。试验证明，上面提到的失效时间与温度的关系可在零下40度至零上150度的温度范围内适用。
以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
权利要求
1.一种加速热载流子注入测试方法，其特征在于包括以下步骤a.分别测量不同温度下的在不同偏置电压下漏极电流、衬底电流相对时间的曲线；b.设定失效条件，将达到该失效条件的时间称为失效时间；c.将失效时间与漏极饱和电流之积和衬底电流与漏极饱和电流之商在坐标上绘出得出它们相互之间的关系式；d.将失效时间与温度在坐标上绘出得出它们之间相互关系；e.在低温下进行失效试验，根据失效时间与温度的关系推出其他温度下的失效时间。
2.如权利要求1所述的加速热载流子注入测试方法，其特征在于所述的失效时间是以10％漏极饱和电流衰退为标准得到应力时间。
3.如权利要求1所述的加速热载流子注入测试方法，其特征在于失效时间与漏极饱和电流之积和衬底电流与漏极饱和电流之商的关系是TTF*Id＝A*(Isub/Id)^m，其中TTF是失效时间单位秒，Id是漏极电流单位安培，Isub是衬底电流单位安培，A和m是根据图形得出的系数。
4.如权利要求1所述的加速热载流子注入测试方法，其特征在于所述的失效时间与温度的关系为TTF＝[A*(Isub/Id)^m]/Id*EXP[B*(1/T-1/Tnom)]其中，T是开氏温度，Tnom为298K，B是根据图形得出的系数。
5.如权利要求1所述的加速热载流子注入测试方法，其特征在于所述的低温为摄氏零下40度。
6.如权利要求1所述的加速热载流子注入测试方法，其特征在于所述的其他温度的范围为零下40度至零上150度。
全文摘要
一种加速热载流子注入测试方法，包括以下步骤a分别测量不同温度下的在不同偏置电压下漏极电流、衬底电流相对时间的曲线；b设定失效条件，将达到该失效条件的时间称为失效时间；c将失效时间与漏极饱和电流之积和衬底电流与漏极饱和电流之商在坐标上绘出得出它们相互之间的关系式；d.将失效时间与温度在坐标上绘出得出它们之间相互关系；e.在低温下进行失效试验，根据失效时间与温度的关系推出其他温度下的失效时间。本发明能够加快测量时间迅速地获得预测寿命结果。
文档编号H01L21/66GK101089642SQ20061002769
公开日2007年12月19日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者苏鼎杰, 邵芳, 耿静, 黄俊诚, 赵芳芳 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司