一种预测半导体器件NBTI寿命及其涨落的方法技术

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，本发明专利技术提出了最好寿命、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。

【技术实现步骤摘要】
【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，本专利技术提出了最好寿命、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
本专利技术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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
术语约定:下文出现的寿命均是指半导体器件的NBTI寿命。本专利技术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。本专利技术的技术方案如下:—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—(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；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:【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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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VGmeasure，漏端施加电压VDmeasure，测量应力前半导体器件的漏电流ID0；然后在栅端施加初始应力电压VGstress_1，漏端处于零偏置，应力时间为△t，在应力施加过程中，栅电压在VGstress_1和VGmeasure之间循环跳转，同时漏电压在0和VDmeasure之间循环跳转；每个循环中，栅电压为VGstress_1的时间t0的最大值要小于10ms；当栅电压为VGmeasure，漏电压为VDmeasure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VGstress_2=K·VGstress_1，漏端仍处于零偏置，应力时间仍为△t，在应力施加过程中，栅电压在VGstress_2和VGmeasure之间循环跳转，同时漏电压在0和VDmeasure之间循环跳转，每个循环中栅电压处于VGstress_2和VGmeasure的时间和第一步对应相同；当栅电压为VGmeasure，漏电压为VDmeasure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VGstress_N=K(N‑1)·VGstress_1，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△Vth由下面的公式得到：ΔVth=ID0-IDID0(VGmeasure-Vth0)---(1)]]>其中，ID是施加应力后每次测量到的漏电流，Vth0是应力前半导体器件的阈值电压；第三步，用最坏寿命、最好寿命和平均寿命三个量来评价半导体器件的寿命，分别对应于最大、最小和平均的阈值电压退化：t时刻最大的阈值电压退化Max(t)定义为从0到t时刻最大的△Vth；t时刻最小的阈值电压退化Min(t)定义为从应力结束时刻到t时刻最小的△Vth；此时，Max(t)和Min(t)随应力时间t的关系为台阶式增加；按照这种方法，取出N次测试结果的Max(t)和Min(t)；第四步，从Max(t)和Min(t)的每一个台阶中间位置分别取一个点构成两组数据，分别记为Top和Bottom，所述点数据包括对应的△Vth值和应力时间；每个台阶Max(t)和Min(t)的均值和台阶对应的应力时间的均值，构成一组数据记为Middle；Top、Bottom和Middle保存的数据称为阈值电压退化量基准数据；将N次测试结果都按照这种方法来取数据；第五步，由于NBTI应力下阈值电压的退化满足，ΔVth=AVGstressmtn---(2)]]>其中，A是前置系数，m是栅端应力电压的指数因子，VGstress是在栅端施加的应力电压，n是应力时间的指数因子，t是栅端所加的总的应力时间；将Top、Middle和Bottom中VGstress_1下的阈值电压退化量基准数据，根据公式（2）分别进行幂函数拟合，得到对应的n值和第六步，将第2次至第N次应力下得到的阈值电压退化量基准数据Top、Middle和Bottom等效地转换到VGstress_1下的阈值电压退化，如公式（3）所示，即可以把第2次至第N次应力下每个测试循环对应的应力时间t0转换到VGstress_1下的等效应力时间，如公式（4）所示，其中t0_i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；对应的转换后的应力时间为：teff_1(2→1)=K(2-1)·mn·t0_1...teff_i(2→1)=K(2-1)·mn·t0_i...teff_1(N→1)=K(N-1)·mn·t0_1...teff_i(N→1)=K(N-1)·mn·t0_i---(4)]]>因此在转换后，第j次应力第i个测试循环对应的总的应力时间tji为tji=Δt+Σp=2jΣq=1cteff_q(p→1)---(5)]]>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tji的阈值电压退化；第七步，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△Vth转换后_ji：转换前后总的△Vth之间的误差为：其中C为每一...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄如，任鹏鹏，王润声，郝鹏，蒋晓波，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11