CN101825680B - 阈值电压测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出阈值电压测量方法及系统，以提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。该方法包括：获得半导体器件的亚阈值斜率；对所述器件施加应力；在阈值测量时间点，测量所述器件的线性漏电流；根据所述亚阈值斜率及线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压；其中测量线性漏电流的步骤包括：撤销该应力；在所述器件上连接测试电压；及测量所述器件在测试电压下的线性漏电流。

Description

阈值电压测量方法及系统
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及阈值电压测量方法及系统。
背景技术
随着集成电路芯片集成的半导体器件数目增加及芯片采用的时钟速度提高，半导体器件的几何尺寸不断缩减，这就要求不断改进芯片的制造工艺。
制造工艺的改进对单个器件的寿命影响很大，例如制造的器件寿命达100年的工艺，为满足几何尺寸缩减而进行工艺改进后，制造的器件寿命可能不到10年。由于器件寿命的微小变化就可能带来整个芯片产品的彻底失败，因此伴随着制造工艺的不断改进，器件寿命受影响程度日益提高，半导体器件寿命的测试受到业界日益关注。
由于半导体器件的寿命一般是以年来计算，因此通常需要采用加速应力测试技术加速器件寿命降低来测量正常工作条件下器件的寿命，其原理通常为：将器件处于应力过载状态下，然后测量可以衡量器件性能降低的阈值电压或其它关键参数，再根据测量出的关键参数推算器件寿命。
负偏压温度不稳定性(NBIT，Negative Bias Temperature Instability)测试是一种常见的加速应力测试技术。其中NBTI通常指P型金属-氧化物-半导体(PMOS，P-Metal-Oxide-Semiconductor)器件的阈值电压(Vt，Voltage)随着时间偏移的现象，该偏移可能导致器件运行速度降低及漏电增大等问题。
NBTI测试过程通常包括：首先在器件栅极(Gate)上连接加速电压以对器件施加应力，然后在所有阈值测量时间点分别进行如下操作：
断开连接的加速电压以撤销施加的应力；
测量器件的阈值电压；然后
重新连接加速电压以对器件继续施加应力；
其中在阈值测量时间点测量阈值电压的现有方案为：
将一系列测试电压Vg依次连接至器件栅极上，并测量出各个测试电压对应的器件漏电流Id，从而得到一系列的Id～Vg对应关系数据，最后计算出阈值电压。其中所述一系列测试电压称为扫描栅电压，本文涉及的扫描栅电压均指一系列测试电压，而非单个测试电压。
由于上述方案在每次撤销应力测量阈值电压时，均需要在Gate上连接扫描栅电压，并测量出各个测试电压Vg对应的漏电流Id，因此采用该方案测量阈值电压耗费的时间较长。
在施加一段时间应力再撤销后，器件的阈值电压将逐渐向施加应力前的初始值恢复，称为NBTI恢复效应。若测量阈值电压的时间较长，则由于NBTI恢复效应的存在，测量出的阈值电压值将是恢复了一定幅度的阈值电压，与应力影响下的实际阈值电压值有偏移，使得NBTI测试的误差较大，降低NBTI测试的准确性。
发明内容
本发明提供阈值电压测量方法及系统，以提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。
本发明提供了阈值电压测量方法，包括：获得半导体器件的亚阈值斜率；对所述器件施加应力；在阈值测量时间点，测量所述器件的线性漏电流；根据所述亚阈值斜率及线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压；其中测量线性漏电流的步骤包括：撤销该应力；在所述器件上连接测试电压；及测量所述器件在测试电压下的线性漏电流。
本发明提供了阈值电压测量系统，包括：亚阈值斜率获得单元，用于获得半导体器件的亚阈值斜率；应力施加单元，用于对所述器件施加应力；线性漏电流测量单元，用于在阈值测量时间点，测量所述器件的线性漏电流；阈值电压计算单元，用于根据所述亚阈值斜率获得单元获得的亚阈值斜率及线性漏电流测量单元获得的线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压；其中线性漏电流测量单元具体包括：用于控制该应力施加单元撤销施加的应力的子单元；用于在所述器件上连接测试电压的子单元；及用于测量所述器件在测试电压下的线性漏电流的子单元。
本发明提供的阈值电压测量方案由于在阈值测量时间点通过测试电压得到线性漏电流值，而无需在阈值测量时间点用扫描栅电压来测量多个饱和电流值，因此在阈值测量时间点所耗费的时间就大大减小，从而降低了NBTI恢复效应对测试效果的影响，提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提出的阈值电压测量方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的阈值电压测量系统的结构示意图。
具体实施方式
针对背景技术提及的问题，由于现有技术在阈值电压测量时间点采用扫描栅电压来测量阈值电压，使得测量时间较长，因此如果能够在阈值电压测量时间点采用单个电压就测量出阈值电压，则可以缩短在阈值电压测量时间点的测量时间，降低NBTI恢复效应的影响，提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。
基于上述思路，本发明实施例提出下述阈值电压测量方法，以提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。
图1为本发明实施例提出的阈值电压测量方法的流程图，结合该图，所述测量方法包括：
步骤1，获得半导体器件的亚阈值斜率；
步骤2，对所述器件施加应力；
步骤3，在阈值测量时间点，测量所述器件的线性漏电流；
步骤4，根据所述亚阈值斜率及线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压；
其中步骤1获得半导体器件亚阈值斜率的方式有多种，例如首先在步骤2对所述器件施加应力前，测量所述器件在扫描栅电压下的第一组线性漏电流；然后在测量完所有阈值测量时间点的线性漏电流后，在未对器件施加应力的情况下，测量所述器件在扫描栅电压下的第二组线性漏电流；最后根据第一组及第二组线性漏电流计算所述器件的亚阈值斜率，根据多组线性漏电流计算亚阈值斜率的方式为公知方式，因此无需给出具体计算公式。
步骤2中施加应力的常见方式为在所述器件的栅极上连接加速电压，以对该器件施加应力，如果要撤销该应力，则断开连接的加速电压即可。
步骤3中测量线性漏流的步骤包括：首先撤销器件上施加的应力；然后在所述器件上连接测试电压；再测量所述器件在测试电压下的线性漏电流。
如果至少有两个阈值测量时间点，则测量出一个阈值测量点的线性漏电流后，还需要重新对器件施加应力，以便在后续阈值测量时间点测量线性漏电流。
步骤4中可以采用下述公式根据亚阈值斜率及线性漏电流值来计算阈值电压值：
Idlin＝β(Vgs-Vth)Vds
其中Idlin代表线性漏电流，β代表亚阈值斜率，Vth为阈值电压，Vgs为栅极与源极间的电压，Vds为漏极与源极间的电压，其中Vds与Vgs为已知量。
如果有多个阈值测量时间点，那么计算阈值电压值可以是在测量出所有阈值测量时间点的线性电流后，再计算各个阈值电压测量时间点的阈值电压；也可以在未测量出全部阈值测量时间点时，先计算部分或全部已测量出的阈值测量时间点的阈值电压，然后再测量阈值测量时间点的线性漏电流，继而继续计算阈值电压。
上述方案测量阈值电压时，由于在阈值测量时间点通过测试电压得到线性漏电流值，而无需在阈值测量时间点用扫描栅电压来测量多个饱和电流值，因此在阈值测量时间点所耗费的时间就大大减小，从而降低了NBTI恢复效应对测试效果的影响，提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。
为得到阈值测量时间点的阈值电压变动量，进一步提高NBTI测试的准确性，本发明实施例提出的阈值电压测量方法还可以包括：根据该阈值测量时间点的线性漏电流变动量计算得到阈值电压变动量的步骤。其中计算公式可以是：
ΔVth＝-ΔIdlin/Idlin(Vgs-Vth0)
其中ΔVth及ΔIdlin分别代表阈值电压的变动量及线性漏电流的变动量，Vth0代表初始阈值电压，为该计算的阈值电压变动量ΔVth变化前的阈值电压值。
本发明实施例还提供了阈值电压测量系统，以提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。
图2为本发明实施例提供的阈值电压测量系统的结构示意图，结合该图，该系统包括：
亚阈值斜率获得单元21，用于获得半导体器件的亚阈值斜率；
应力施加单元22，用于对所述器件施加应力；
线性漏电流测量单元23，用于在阈值测量时间点，测量所述器件的线性漏电流；
阈值电压计算单元24，用于根据亚阈值斜率获得单元21获得的所述亚阈值斜率及线性漏电流测量单元23获得的线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压；
其中根据亚阈值斜率获得方式的不同，亚阈值斜率获得单元21可以有多种结构，本实施例中，该亚阈值斜率获得单元21包括：用于在对所述器件施加应力前，测量所述器件在扫描栅电压下的第一组线性漏电流的子单元；用于在测量完所有阈值测量时间点的线性漏电流后，在未对器件施加应力的情况下，测量所述器件在扫描栅电压下的第二组线性漏电流的子单元；及用于根据第一组及第二组线性漏电流计算所述器件的亚阈值斜率的子单元。根据多组线性漏电流计算亚阈值斜率的方式为公知方式，因此此处无需给出具体计算公式。
应力施加单元22施加应力的常见方式为在所述器件的栅极上连接加速电压，以对该器件施加应力，如果要撤销该应力，则断开连接的加速电压即可。
线性漏电流测量单元23具体包括：用于控制该应力施加单元22撤销施加的应力的子单元；用于在所述器件上连接测试电压的子单元；及用于测量所述器件在测试电压下的线性漏电流的子单元。如果至少有两个阈值测量时间点，则测量出一个阈值测量点的线性漏电流后，还需要重新对器件施加应力，以便在后续阈值测量时间点测量线性漏电流。相应的，该线性漏电流测量单元23还具体包括：用于通知应力施加单元22重新施加该应力的子单元。
如果有多个阈值测量时间点，那么计算阈值电压值可以是在测量出所有阈值测量时间点的线性电流后，再由阈值电压计算单元24计算各个阈值电压测量时间点的阈值电压；也可以在未测量出全部阈值测量时间点时，先由阈值电压计算单元24计算部分或全部已测量出的阈值测量时间点的阈值电压，然后再测量阈值测量时间点的线性漏电流，继而继续计算阈值电压。
基于本发明实施例提供的阈值电压测量系统测量阈值电压，由于在阈值测量时间点通过测试电压得到线性漏电流值，而无需在阈值测量时间点用扫描栅电压来测量多个饱和电流值，因此在阈值测量时间点所耗费的时间就大大减小，从而降低了NBTI恢复效应对测试效果的影响，提高测量的阈值电压的准确性，进而提高NBTI测试的准确性。
为得到阈值测量时间点的阈值电压变动量，进一步提高NBTI测试的准确性，该阈值电压测量系统还可以包括用于根据线性漏电流的变动量计算阈值电压变动量的单元。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种半导体器件的阈值电压测量方法，其特征在于，包括：
获得半导体器件的亚阈值斜率；
对所述器件施加应力；
在阈值测量时间点，测量所述器件的线性漏电流；
根据所述亚阈值斜率及线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压；
其中测量线性漏电流的步骤包括：
撤销该应力；
在所述器件上连接测试电压；及
测量所述器件在测试电压下的线性漏电流；
其中，所述获得半导体器件的亚阈值斜率，具体包括：
在对所述器件施加应力前，测量所述器件在扫描栅电压下的第一组线性漏电流；
在测量完所有阈值测量时间点的线性漏电流后，在未对器件施加应力的情况下，测量所述器件在扫描栅电压下的第二组线性漏电流；
根据第一组及第二组线性漏电流计算所述器件的亚阈值斜率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值测量时间点至少有两个；以及
测量线性漏电流的步骤还包括：重新对所述器件施加应力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量完所有阈值测量时间点的线性漏电流值后计算阈值测量时间点的阈值电压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量完一个阈值测量时间点的线性漏电流值后，计算该阈值测量时间点的阈值电压。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括根据线性漏电流的变动量计算阈值电压变动量的步骤。
6.一种阈值电压测量系统，其特征在于，包括：
亚阈值斜率获得单元，用于获得半导体器件的亚阈值斜率；
应力施加单元，用于对所述器件施加应力；
线性漏电流测量单元，用于在阈值测量时间点，测量所述器件的线性漏电流；
阈值电压计算单元，用于根据所述亚阈值斜率获得单元获得的亚阈值斜率及线性漏电流测量单元获得的线性漏电流值，计算阈值测量时间点的阈值电压；其中线性漏电流测量单元具体包括：
用于控制该应力施加单元撤销施加的应力的子单元；
用于在所述器件上连接测试电压的子单元；及
用于测量所述器件在测试电压下的线性漏电流的子单元。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阈值测量时间点至少有两个；以及所述线性漏电流测量单元还具体包括：用于通知应力施加单元重新施加该应力的子单元。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，在测量完所有阈值测量时间点的线性漏电流值后，由所述阈值电压计算单元计算阈值测量时间点的阈值电压。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，在测量完一个阈值测量时间点的线性漏电流值后，由所述阈值电压计算单元计算该阈值测量时间点的阈值电压。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述亚阈值斜率获得单元，具体包括：
用于在对所述器件施加应力前，测量所述器件在扫描栅电压下的第一组线性漏电流的子单元；
用于在测量完所有阈值测量时间点的线性漏电流后，在未对器件施加应力的情况下，测量所述器件在扫描栅电压下的第二组线性漏电流的子单元；及
用于根据第一组及第二组线性漏电流计算所述器件的亚阈值斜率的子单元。
11.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括用于根据线性漏电流的变动量计算阈值电压变动量的单元。
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