CN101587162A

CN101587162A - 检测半导体器件热载流子效应的方法

Info

Publication number: CN101587162A
Application number: CN 200810112508
Authority: CN
Inventors: 郭强; 简维廷; 黄宏嘉
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2028-05-23
Also published as: CN101587162B

Abstract

一种检测半导体器件热载流子效应的方法，包括：选取退化表征量；在各个电应力条件下，在至少两个测量段内测量所述退化表征量，其中在各测量段内至少获得三个测量值；根据所述退化表征量的测量值，获得斜率随所述退化表征量变化的关系，其中所述斜率表示所述退化表征量随时间变化的关系；选取估算段内的各个估算时间点；根据所获得的斜率随所述退化表征量变化的关系，获得各个估算时间点的退化表征量的估算值；在失效标准两端至少各选取一个估算值，求得失效标准对应的时间。根据所述方法估算器件寿命的检测结果更精确。

Description

检测半导体器件热载流子效应的方法

技术领域

本发明涉及检测半导体器件热载流子效应的方法。

背景技术

目前，由于热载流子注入诱生的硅-氧化硅界面态是热载流子效应的主要体现，也是引起其他器件参数退化的关键因素，虽然通过电荷泵技术等可测得界面态密度，但其沿沟道方向的分布及在能量空间的分布难以精确测定及模拟，要以界面态作为热载流子退化表征非常困难。因而，常常以对热载流子效应敏感的电气参数，例如器件漏极电流Ids、跨导g_m、阈值电压V_th的相对退化量ΔIds/Ids0、Δg_m/g_m0、ΔV_th/V_th来作为衡量热载流子退化的表征量。目前，常采用的方法是假设上述电气参数的退化量与器件受应力时间t成幂函数关系，假定用Y(t)表示所述电气参数的退化量，则有：

Y(t)＝Atⁿ (1)

对公式(1)两边取对数得

Ln(Y(t))＝LnA+nLn(t) (2)

例如以阈值电压的相对退化量ΔV_th//V_th作为衡量热载流子退化的表征量，则表达式(2)即为

Ln(ΔV_th/V_th)＝LnA+nLn(t)

由于从生产效率上来说，为了检测器件寿命是否符合要求，并不可能将器件放在正常的工作环境下检测，那样会浪费大量的检测时间。因而，一般都是通过选取一个具有较高工作电压环境的电应力条件，加速上述器件电气参数的退化过程，并且根据测量值来估算所检测器件在额定寿命时的电气参数退化量，从而通过将此刻的电气参数退化量与基准电气参数退化量进行比较来对所检测的器件寿命进行评估。在例如申请号为200410051148.4的中国专利申请中还能发现更多与此相关的内容。

而目前常用的估算方法就是以测量值为基础，计算出电气参数退化量的对数值随时间的对数值变化的关系，即计算出有测量值两两构成的直线的斜率n，并且，在估算器件寿命时认为电气参数退化量的对数值随时间的对数值变化的关系曲线始终保持固定斜率，即上述估算器件寿命时使用的斜率n值使用了固定值，再以此斜率外推得到器件额定寿命时的电气参数退化量。然而，随着如今器件工艺向深亚微米发展，器件的尺寸也越来越小。通过大量的实验发现，所述斜率n的值在一段较长的检测时间中并非保持固定不变，例如参照图1所示，所述电气参数的退化量的对数Ln(Y)与器件受应力时间的对数Ln(t)的关系曲线并不是直线，即随着器件受应力时间的增加，所述电气参数的退化量的对数Ln(Y)与器件受应力时间的对数Ln(t)的关系曲线的斜率是存在变化的。因此，所述假定斜率n为固定值，并以此估算器件寿命的方法，往往不能准确对于所检测的器件寿命给出评估，可能就将一些原本合格的器件判定为不合格而退回，增加了生产成本。

发明内容

本发明提供一种检测半导体器件热载流子效应的方法，解决现有技术估算器件寿命不准确，从而影响器件评估准确性的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种检测半导体器件热载流子效应的方法，包括下列步骤：

选取退化表征量；

在各个电应力条件下，在至少两个测量段内测量所述退化表征量，其中在各测量段内至少获得三个测量值；

根据所述退化表征量的测量值，获得斜率随所述退化表征量变化的关系，其中所述斜率表示所述退化表征量随时间变化的关系；

选取估算段内的各个估算时间点；

根据所获得的斜率随所述退化表征量变化的关系，获得各个估算时间点的退化表征量的估算值；

在失效标准两端至少各选取一个估算值，求得失效标准对应的时间。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：上述检测半导体器件热载流子效应的方法通过在一种电应力条件下，测量一部分退化表征量值，并根据已知退化表征量来得到斜率随退化表征量变化的关系，然后结合退化表征量随时间变化的关系来外推得到估算时间点的退化表征量的估算值。接下来根据所获得的估算值，选取失效标准附近的两个估算值，求得失效标准的值对应的时间。接着，再变换其他电应力条件，获得其他电应力条件下失效标准对应的时间。所述方法由于考虑到了所述退化表征量随时间变化的关系(斜率)会随着退化表征量而变化的情况，所以根据上述方法去估算器件寿命的检测结果更精确。

附图说明

图1是现有技术退化表征量变化随时间变化曲线图；

图2是本发明检测半导体器件热载流子效应的方法的一种实施方式流程图。

具体实施方式

本发明检测器件寿命的方法根据已有退化表征量来得到退化表征量值变化与退化表征量值两两构成直线斜率变化的关系，然后结合退化表征量随时间变化的关系来外推得到下一个时间点的退化表征量估算值。并且重复上述两步步骤，直到最终获得所要检测器件的时长时的退化表征量估算值。

参照图2所示，本发明检测器件寿命的方法的一种实施方式包括：

步骤s1，选取退化表征量；

步骤s2，在一种电应力条件下，在至少两个测量段内测量所述退化表征量，其中在各测量段内至少获得三个测量值；

步骤s3，根据所述退化表征量的测量值，获得斜率随所述退化表征量变化的关系，其中所述斜率表示所述退化表征量随时间变化的关系；

步骤s4，选取估算段内的各个估算时间点；

步骤s5，根据所获得的斜率随所述退化表征量变化的关系，获得各个估算时间点的退化表征量的估算值；

步骤s6，在失效标准两端至少各选取一个估算值，求得失效标准对应的时间；

步骤s7，变换其他电应力条件，重复步骤s2-s6。

在上述方法的具体实施方式中，步骤s2中，在所述测量段内测量所述退化表征量的时间在对数值上均匀分布。

下面通过具体的测量过程详述对上述方法作进一步说明：

执行步骤s1，选取退化表征量。如前所述，器件漏极电流Ids、跨导g_m、阈值电压V_th是对热载流子效应敏感的主要电气参数，受界面态的影响也较明显，因此宜采用这三个参数的相对退化量ΔIds/Ids0、Δg_m/g_m0、ΔV_th/V_th作为衡量热载流子退化的表征。本例中以阈值电压的变化量ΔV_th/V_th作为退化表征量。

执行步骤s2，在一种电应力条件下，在至少两个测量段内测量所述退化表征量，其中在各测量段内至少获得三个测量值，其中，在所述测量段内测量所述退化表征量的时间在对数值上均匀分布。

在确定了退化表征量之后，接下来就是选取适当的电应力条件来获得所述退化表征量随时间的变化。以检测NMOS管的器件寿命为例，可以选取下述的电应力条件：将衬底和源极接地，并对漏极和栅极分别施加一定的电压，然后测量所述NMOS管的阈值电压。所述施加于漏极和栅极的电压一般都大于NMOS管的正常工作电压。而在测量所述NMOS管的阈值电压时，一般都是先确定要测量的测量段的数量，并且在所述测量段内选取几个时间点进行测量。所述测量段通常选取以10为底的对数值对应的时长，例如测量段1、2、3、4就分别对应1-10、10-100、100-1000、1000-10000小时的测量时长。而为了保证在每一个测量段内所选取的时间点在所述退化表征量随时间变化的曲线上尽量均等，可采取例如下述公式来获得所述时间点：

X_n＝e^(Ln(T)/N*n) (3)

其中，T为测量段的时长、N为选取的时间点的数目，n代表在所选取的N个时间点的序号，Xn为n所对应的时间点的实际值。例如，按上述选取电应力条件的说明，将NMOS管的衬底和源极接地，并对漏极和栅极分别施加一定的电压，然后在1-10小时这个测量段内选取6个时间点测量所述NMOS管的阈值电压。则根据公式(3)，得到第1个时间点至第6个时间点分别对应的实际值为1.47、2.15、3.16、4.64、6.81、10，即分别在第1.47个小时、第2.15个小时、第3.16个小时、第4.64个小时、第6.81个小时、第10个小时测量所述NMOS管的阈值电压，并计算各个时间点的阈值电压值相对于基准值的百分比。

当测量完一个测量段内的阈值电压后，则继续测量下一个测量段10-100小时内的阈值电压。所述测量段内时间点的选取方法与上述方法完全相同，即也是根据公式(3)来得到测量时间。

执行步骤s3，根据所述退化表征量的测量值，获得斜率随所述退化表征量变化的关系，其中所述斜率表示所述退化表征量随时间变化的关系。

根据步骤s2所述，已通过测量获得了NMOS管在2个测量段内的各个时间点的阈值电压值相对于基准值的百分比。通过对所述数据的分析可以得到，虽然所述百分比的值随时间变化的曲线的斜率k不是一个固定值，但在较小的时间间隔内，k的值还是保持稳定的。因此，此处假定所述每两个时间点之间的百分比值随时间变化的曲线的斜率k为固定值。由于需要获得所述斜率k随百分比值变化的关系，根据所述假定，最少只需根据所获得的三个百分比值，分别计算由所述三个百分比值点构成的两条直线的斜率，并根据所获得斜率计算所述斜率随百分比值变化的关系。

例如，假定所测量的最后三个百分比值按所测量的时间顺序从前至后依次为Y(t₁)、Y(t₂)、Y(t₃)，则由Y(t₁)、Y(t₂)构成的直线的斜率就是

k_{2} = \frac{Y (t_{2}) - Y (t_{1})}{t_{2} - t_{1}};

而由Y(t₂)、Y(t₃)构成的直线的斜率就是

k_{3} = \frac{Y (t_{3}) - Y (t_{2})}{t_{3} - t_{2}} .

则，构建函数n＝F(Y(t))来表示所述斜率k随百分比值变化的关系。然后，将所获得的两个斜率值k₂和k₃代入所述函数中，并利用例如最小二乘法拟合的方法来获得所述函数的表达式。

执行步骤s4，选取估算段内的各个估算时间点。当步骤s2完成后，测量阶段已经结束，接下来就是根据已经测得的退化表征量的数据来对器件在后续时间内的退化表征量的值进行估算。所述估算段根据如下数据获得：当不进行估算而选择用测量来检测器件寿命时的总时长。例如，所述总时长为10000小时，则根据之前的测量段的说明，在不进行估算时，则测量时长可分为4个测量段，依次为1-10、10-100、100-1000、1000-10000小时。则若当已测量了2个测量段时，则剩余2个测量段即为估算段，依次对应100-1000、1000-10000小时。而所述各个估算段内的时间点也可根据例如公式(3)来获得。

执行步骤s5，根据所获得的斜率随所述退化表征量变化的关系，获得各个估算时间点的退化表征量的估算值。根据所获得的退化表征量值变化与斜率变化的关系，并且结合前述的公式(2)就能够外推获得所述估算时间点的测量值了，而所述的估算时间点已由步骤s4提供。详细外推过程如下：假定当前已知百分比值为Y(t_n)，则上一个已知时间点的值就是Y(t_n-1)，下一个未知时间点，即估算时间点的值就是Y(t_n+1)，则根据公式(2)有

Ln(Y(t_n))＝LnA+F(Y(t_n))Ln(t_n)； (4)

Ln(Y(t_n+1))＝LnA+F(Y(t_n+1))Ln(t_n+1)； (5)

假设当t_n和t_n+1间隔很小的时候，近似认为Y(t_n-1)和Y(t_n)构成的直线的斜率等于Y(t_n)和Y(t_n+1)构成的直线的斜率，即F(Y(t_n))＝F(Y(t_n+1))，则将(5)-(4)得

Ln[Y(t_n+1)/Y(t_n)]＝F(Y(t_n))Ln(t_n+1/t_n) (6)

Ln(Y(t_n+1))＝F(Y(t_n))Ln(t_n+1/t_n)+Ln(Y(t_n)) (7)

对(8)两边取e为底的指数得

Y(t_n+1)＝Y(t_n)exp[F(Y(t_n))Ln(t_n+1/t_n)] (8)

而将F(Y(t))代入公式(8)，就可获得Y(t_n+1)。

执行步骤s6，在失效标准两端至少各选取一个估算值，求得失效标准对应的时间。当获得了各个估算时间点的退化表征量的估算值之后，则可对照失效标准来选取失效标准两端附近的至少各一个估算值。所述失效标准即所定义的正常器件在额定使用寿命达到时，其退化表征量的衰减百分比值。例如，此处设定所述失效标准为10％，则可选取10％两端的至少各一个估算值，例如9％和11％，并根据9％和11％对应的时间，通过例如内差法的方法来计算10％对应的时间。

执行步骤s7，变换其他电应力条件，重复步骤s2-s6。

当获得了各个电应力条件下失效标准的值对应的估算时间后，就可以选取合适的失效几率模型，来推算所述器件在正常应用条件下的寿命。

综上所述，上述检测半导体器件热载流子效应的方法通过在一种电应力条件下，测量一部分退化表征量值，并根据已知退化表征量来得到斜率随退化表征量变化的关系，然后结合退化表征量随时间变化的关系来外推得到估算时间点的退化表征量的估算值。接下来根据所获得的估算值，选取失效标准附近的两个估算值，求得失效标准的值对应的时间。接着，再变换其他电应力条件，获得其他电应力条件下失效标准对应的时间。所述方法由于考虑到了所述退化表征量随时间变化的关系(斜率)会随着退化表征量而变化的情况，所以根据上述方法去估算器件寿命的检测结果更精确。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，包括下列步骤，选取退化表征量；

选取估算段内的各个估算时间点；

2.如权利要求1所述的检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，在所述测量段内测量所述退化表征量的时间在对数值上均匀分布。

3.如权利要求2所述的检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，所述测量所述退化表征量的时间和估算时间点根据下述公式获得：

X_n＝e^(Ln(T)/N*n)，其中，T为测量段或估算段的时长、N为选取的时间点的数目，n代表在所选取的N个时间点的序号，Xn为n所对应的时间点的实际值。

4.如权利要求3所述的检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，所述在至少两个测量段内测量所述退化表征量包括：测量所述退化表征量，并计算所述退化表征量相对于基准值的百分比。

5.如权利要求1所述的检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，所述根据所述退化表征量的测量值，获得斜率随所述退化表征量变化的关系，包括下列步骤：

至少根据所获得的退化表征量测量值的最后三个值，分别计算由所述三个值的数据点构成的两条直线的斜率，并根据所获得斜率计算所述斜率随所述退化表征量变化的关系。

6.如权利要求5所述的检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，根据所获得斜率计算所述斜率随所述退化表征量变化的关系可以采用最小二乘法拟合的方法。

7.如权利要求6所述的检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，所述估算值通过下述方法外推获得：

Y(t_n+1)＝Y(t_n)exp[F(Y(t_n))Ln(t_n+1/t_n)]，其中Y(t_n)为已知退化表征量值，F(Y(tn))为所述退化表征量值变化与所述斜率变化的关系式，Y(t_n+1)为估算退化表征值。

8.如权利要求1至7任一项所述的检测半导体器件热载流子效应的方法，其特征在于，所述退化表征量为阈值电压、器件漏极以及跨导中的任意一种。