CN102073004B - 测试半导体器件可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于测试半导体器件可靠性的方法，其中所述半导体器件具有负偏置温度不稳定性NBTI，包括以下步骤：测量第一组半导体器件的NBTI曲线；在将第一组半导体器件偏置于栅电场的条件下，测量第一组半导体器件在预定频率下的1/f噪声功率谱密度和漏电流；测量第一组半导体器件的栅介质的等效氧化层厚度；在将第二组半导体器件偏置于所述栅电场的条件下，测量第二组半导体器件在所述预定频率下的1/f噪声功率谱密度和漏电流；测量第二组半导体器件的栅介质的等效氧化层厚度；以及利用第一组半导体器件的NBTI曲线来评估第二组半导体器件的退化特性。该方法节省了对大量半导体器件进行可靠性测试所需的时间，并且不会对第二组半导体器件造成破坏。

Description

测试半导体器件可靠性的方法

技术领域

本发明涉及一种测试半导体器件和电路可靠性的方法，特别是涉及一种用于对pMOSFET的负偏置温度不稳定性(NBTI)进行非破坏性快速测试的方法。

背景技术

半导体器件的可靠性测试是集成电路技术领域关键的技术问题。CMOS电路中p型场效应晶体管(pMOSFET)的负偏压温度不稳定性(NBTI)，是半导体器件中主要的可靠性问题之一，其表现特性为p型场效应晶体管(pMOSFET)在负栅电压和温度应力条件下器件的阈值电压V_th和漏电流I_d等电学参数会随着时间的流逝而不断退化，最终使得器件不能正常工作。

随着器件尺寸的不断减小和栅氧化层厚度的不断减薄，现在大规模生产CMOS器件均采用SiON栅介质层或高K栅介质层。这虽然有效地抑制了栅漏电流，却导致NBTI对器件的影响显著加剧。

常规的NBTI的测试方法包括在高温下，对MOSFET的栅电极施加8MV/cm至12MV/cm之间的一个远远高于工作电压的恒定电压应力，应力时间一般在几千秒到上万秒以上，然后，在一定时间间隔测量器件的阈值电压等电学参数随应力时间的变化。例如，在下面的文献中公开了常规的NBTI测试方式的细节：

文献1：美国专利No.2003/0231028A1；

文献2：T.Grasser，P.Wagner，P.Hehenberger，W.Goes，and B.Kaczer，“A Rigorous Study of Measurement Techniques for Negative BiasTemperature Instability，”IEEE Trans.Device Mater.Rel.，vol.8，no.3，2008，pp.526-535.

结果，常规的NBTI测试是一项耗时而且工作量巨大的工作。并且，经过NBTI应力测试后的器件样品电学参数发生了严重的退化，不能继续使用。

如何提高NBTI测试的效率、减少测试样品的损耗率，对于集成电路技术具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于对半导体器件特别是pMOSFET的NBTI特性测试的非破坏性快速测试方法。

根据本发明，提供一种用于测试半导体器件可靠性的方法，其中所述半导体器件具有负偏置温度不稳定性NBTI，包括以下步骤：测量第一组半导体器件的NBTI曲线；在将第一组半导体器件偏置于栅电场的条件下，测量第一组半导体器件在预定频率下的1/f噪声功率谱密度和漏电流；测量第一组半导体器件的栅介质的等效氧化层厚度；在将第二组半导体器件偏置于所述栅电场的条件下，测量第二组半导体器件在所述预定频率下的1/f噪声功率谱密度和漏电流；测量第二组半导体器件的栅介质的等效氧化层厚度；以及利用第一组半导体器件的NBTI曲线来评估第二组半导体器件的退化特性。

与传统的NBTI测试方法相比，本发明具有以下的优点：

本发明利用1/f噪声来评估第二组样品的NBTI。由于1/f噪声可以在室温下进行测试，并且其测试电压远低于传统NBTI测试的应力电压，因此，本测试方法具有非破坏性，不会引起被测试样品的电学特性的退化，这对于提高样品的使用率有很大的帮助。

本发明由于只需要测试第一组样品的NBTI曲线和第二组待测样品的1/f噪声功率谱密度，十分有效地减少了测试时间，提高了效率。第二组样品的数量越多，高效性越显著。

该方法适用于SiON栅介质或高K栅介质等含有体陷阱的氧化层的NBTI的特性退化的预测。

本发明的提出的非破坏性快速测量高K栅介质NBTI的测试方法可以高效率地得到同一材料、不同界面条件或者体层缺陷情况不同的高K栅介质的多组样品的NBTI的特性退化情况。

附图说明

图1示出了本发明的测试方法中使用的测量装置示意图；

图2示出了根据本发明的测试方法的第一实施例的流程图；

图3示出了根据本发明的测试方法的第二实施例的流程图。

具体实施方式

本发明人发现并建立了pMOSFET的NBTI曲线的初始阶段V_th退化值与1/f噪声的功率谱密度幅值的关联性，并以此为基础提出了一种新的半导体器件可靠性的测试方法。

对于NBTI机制的研究已经持续了40余年，目前大家普遍认为NBTI的物理机制是界面态N_it和被填充的近界面体电荷陷阱N_t的共同叠加作用。对于界面态的产生，比较公认的反应-扩散模型及其修正模型认为界面处Si-H键的断裂反应和随后H粒子在介质层中的二聚和扩散过程共同作用，导致了阈值电压的漂移随时间指数变化；由于界面反应和二聚作用是迅速的，随后的退化将被扩散过程所主导，所以指数有一个从短期到长期的变化。另一方面，近界面体陷阱对电荷的俘获是一个极其快速的过程，它对时间不敏感，主要依赖于栅极上所施加的偏压。综上两部分缺陷共同贡献，V_th随时间的退化规律可以表示为：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th}}=-\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{ot}}\left(t\right)+{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{it}}\left(t\right)}{C_{\mathrm{ox}}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th},\mathrm{ini}}+{\mathrm{Bt}}^n$ (公式1)。

其中，ΔQ_ot(t)和ΔQ_it(t)分别表示体陷阱电荷和界态电荷随时间的退化，C_ox是器件栅氧化层电容，ΔV_th，ini为初始阈值电压退化，B在某一特定电场下为常数，n作为时间t的指数因子，与体内扩散的H粒子类型和体陷阱的存在有关。

上述NBTI的初始阈值电压退化ΔV_th，ini主要是由于体陷阱N_t俘获电荷引起的，针对厚度归一化的初始V_th退化值ΔV_th，ini/EOT与体陷阱密度N_t成正比，从而可以表示为：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th},\mathrm{ini}}=\frac{\mathrm{EOT}\·q\·f\left(E_{\mathrm{ox}}\right)\·N_t}{\mathrm{\ϵ}}$ (公式2)。

其中，EOT表示栅氧化物的等效氧化层厚度，q表示单个电子的电量，f(E_ox)表示依赖于栅氧化层电场的体层陷阱俘获空穴的几率，ε表示SiO₂的介电常数。

另一方面，在半导体器件中，1/f噪声是一种普遍存在的低频噪声形式，而1/f噪声主要的来源是电荷陷阱。近界面陷阱随机地俘获和释放电荷，使沟道载流子数量和沟道迁移率随机波动，此过程涉及到的时间常数正好导致低频段的噪声信号能量显著增加。

在目前被广泛采用的统一1/f噪声模型中，将噪声谱密度和体陷阱电荷的公式表示为：

$N_t=\frac{S_{\mathrm{Id}}{C}_{\mathrm{OX}}^2{\mathrm{WLfg}}_m^2{(V_g-V_{\mathrm{th}})}^2\mathrm{\γ}}{q^2{\mathrm{KTI}}_d^2}$ (公式3)。

其中，N_t表示体电荷陷阱密度；S_Id表示噪声谱密度；W和L分别是MOS器件的沟道宽度和长度；g_m是器件的跨导；r为衰减系数；T为测试温度；I_d是器件在噪声测试偏置下流经沟道的漏电流；q为单个电子的电量；k为玻耳兹曼常数。

如果对多个样品的噪声测试在相同的栅电场下进行，则各个样品的C_OX×(V_g-V_th)值相同。从而，根据统一的1/f噪声模型，S_Id/I_d ²与体陷阱密度N_t成正比，可以简单表示为：

N_t＝a·S_Id/I_d ²(公式4)。

其中，a为取决于温度和栅电场的参数。

将公式4应用于公式2中，以取代后者中的N_t，可以获得初始阈值电压退化ΔV_th，ini与噪声谱密度S_Id之间的关系，表示为：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th},\mathrm{init}}=k\frac{{\mathrm{EOT}\·S}_{\mathrm{Id}}}{{I_d}^2}$ (公式5)。

其中，k为ΔV_th，ini/EOT与S_Id/Id²的相关系数。如果在相同的温度和栅电场下对具有相同栅介质的多个样品进行测量，则相关系数k是一个常数。即针对厚度归一化的初始阈值电压漂移ΔV_th，ini/EOT与S_Id/I_d ²成正比关系。

将公式5应用于公式1中，可以获得阈值电压V_th随时间t的变化曲线，即NBTI曲线：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th}}=k\frac{{\mathrm{EOT}\·S}_{\mathrm{Id}}}{{I_D}^2}+{\mathrm{Bt}}^n$ (公式6)。

对于由同一材料构成的高K栅介质，多个不同样品的阈值电压随时间退化的趋势相同，退化多少取决于初始处初始阈值电压退化ΔV_th，ini。在已经测得第一组样品NBTI随时间退化的曲线的条件下，可以在测量1/f噪声功率谱的结果的基础，通过计算第二组样品的阈值电压V_th随时间t的变化曲线，不需要对其他样品进行实际重复的测量。

以下将描述基于本发明人的上述发现的测试半导体器件的可靠性的方法的优选实施例。

在图1中示出了在本发明的测试方式中使用的测量装置的示意图。该测量装置包括电学测量系统1、噪声测量系统2和用于将电学测量系统1和噪声测量系统2之一选择性地与样品6连接的切换装置5。

将样品6置于探针台(未示出)上，将MOSFET的源极、漏极、栅极、和衬底分别与探针连接，并将探针引线连接到探针台的输出端。

切换装置5例如可使用购自美国Keithley公司的8x12开关矩阵7174A。

电学测量系统1例如可使用半导体参数测试系统KI-4200/2600(购自美国Keithley公司)，用于测量器件的I-V特性以及器件的NBTI特性。

噪声测量系统2包括前置电流放大器3(例如购自美国StanfordResearch Systems公司的前置低噪声电流放大器SR570，使用内置的蓄电池直流电源)、以及与前置电流放大器3连接的网络分析仪4(例如，购自美国Stanford Research Systems公司的FFT网络分析仪SR770，使用外置的直流电源)。

图2示出了根据本发明的测试方法的第一实施例的流程图。

首先，按照65nm工艺，制造一个pMOSFET作为第一组样品(步骤S10)。

该pMOSFET的栅介质可以是SiON或选自HfO₂、La₂O₃、Al₂O₃、TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂的任何高K电介质材料，并且还可以是金属掺杂的。

然后，将其放置在探针台上。通过切换装置5将该样品连接到电学测量系统1上。对该样品施加125℃，9.5MV/cm的NBT应力1000s，进行NBTI测量(步骤S11)。为了避免NBTI测试期间的恢复效应，采用了on-the-fly在线测试技术来进行实时监控阈值电压的变化。最后可以得到阈值电压V_th随时间t的变化曲线，即该样品的NBTI随时间退化的曲线。

然后，通过切换装置5将该样品连接到噪声测量系统2上，对该样品进行1/f噪声功率谱测量和漏电流测量(步骤S12)。1/f噪声功率谱测试在室温下进行，并选择在样品的输出特性曲线I_d-V_d的线性区域进行。

在1/f噪声功率谱测量中，样品的栅极通过切换装置5与外部直流电源连接，漏极与噪声测量系统2中的前置电流放大器3连接，源极接地。在前置电流放大器3的内置直流电源在为漏极提供电压的同时，前置电流放大器3检测流经样品沟道的漏电流信号，并对漏电流信号滤去直流组分后进行低噪放大，然后传送到网络分析仪4。经过网络分析仪的变换，直接输出1/f噪声半功率谱密度曲线。经过半功率取平方之后即可得到1/f噪声半功率谱密度曲线S_Id(f)。

然后，通过切换装置5将该样品再次连接到电学测量系统1上，在测量1/f噪声的相同偏置条件下，测量样品的漏电流I_d。

然后，按照本领域已知的常规方法(例如通过测量该样品的C-V曲线)，获得该样品的等效氧化层厚度EOT(步骤S13)。

然后，分析样品的NBTI曲线与噪声功率谱密度曲线的关联性(步骤S14)。

从步骤S11测得的NBTI曲线，采用阈值电压随时间变化的公式1进行拟合，以获得NBTI曲线的初始处的初始V_th退化值ΔV_th，ini和NBTI曲线的参数B、n。

从步骤S12测得的噪声功率谱密度曲线S_Id(f)，获得某一特定频率例如25Hz处的S_Id值。

采用上述获得的初始V_th退化值ΔV_th，ini、上述获得的特定频率下的S_Id值、测得的漏电流I_d和等效氧化层厚度EOT，根据公式5计算出k的数值。

优选地，第一组样品可以包括多个pMOSFET，按照如下步骤分析样品的NBTI曲线与噪声功率谱密度曲线的关联性。

第一组样品例如包括5个pMOSFET。对于所有5个样品，从步骤S11测得的NBTI曲线，采用阈值电压随时间变化的公式1进行拟合，以获得NBTI曲线的初始处的初始V_th退化值ΔV_th，ini。

对于所有5个样品，从步骤S12测得的噪声功率谱密度曲线S_Id(f)，获得某一特定频率例如25Hz处的S_Id值。

将上述获得的S_Id值(即特定频率下的S_Id值)与测得的漏电流I_d之间的比值S_Id25Hz/I_d ²作为横坐标，以上述获得的初始V_th退化值ΔV_th，ini与栅介质的等效氧化层厚度EOT之间的比值ΔV_th，ini/EOT(即归一化的初始V_th退化值)为纵坐标，绘制出所有五个样品的归一化的初始V_th退化值ΔV_th，ini/EOT与S_Id/I_d ²25Hz的关系曲线。如公式5所示，该关系曲线呈正比关系。计算出该关系曲线的斜率，作为五个样品共同的相关系数k。

该步骤的优选方式通过对多个样品实验结果的处理，进一步提高了相关系数k计算结果的准确性。

然后，准备第二组pMOSFET样品(步骤S15)。对于第二组样品，不需要直接测量NBTI曲线，而是通过测量1/f噪声来获得样品的NBTI曲线。

第一组样品和第二组样品中包括相同材料的栅介质，但其厚度、栅介质的掺杂和界面条件可以不同。

采用与步骤S12类似的测量装置和方法，测量第二组样品中的每一个样品在特定频率(如25Hz)下的噪声功率谱密度S_Id值(以在噪声功率谱密度测量的偏置条件下的漏电流I_d(步骤S16)。

在步骤S12和S16中，对各个样品的测量均在同一栅电场下进行，以保证沟道电荷密度相同，具有可比性，并且选择相同的频率作为特定频率。而且，对每个样品可以多次重复低频1/f噪声测量并取其平均值，以提高和保证测试结果的准确性，从而使对NBTI退化的预测结果的精度可以达到很高。

然后，采用与步骤S13类似的测量装置和方法，测量第二组样品中的每一个样品的等效氧化层厚度EOT(步骤S17)。

采用在步骤S14中从第一组样品获得的参数B、n和相关系数k，以及在步骤S16中测量的S_Id、I_d，根据公式6，计算出第二组样品中的每一个样品的NBTI曲线(步骤S 18)。

在该步骤中还可以根据公式5计算第二组样品中的每一个样品的初始V_th退化值ΔV_th，ini。

图3示出了根据本发明的测试方法的第二实施例的流程图。

在第二实施例中，第一组样品和第二组样品为从同一批次制造的多个半导体器件中选择的样品(步骤S20)。因此，多个半导体器件的栅介质由相同的高K电介质材料构成，并且等效氧化层厚度相近，从而可以略去EOT的测量步骤。

例如，在包括高K栅介质的处理器的集成电路中，对于某一模块的电路器件，需要使用不同的掺杂来实现阈值电压的调节。从其中选择一个pMOSFET作为第一组样品。对于布尔乘法器设计，可以取出关键路径上的一个pMOSFET。

对选择的一个pMOSFET执行步骤S21-S22，步骤S21-S22分别与图2所示的步骤S11-S 12完全相同。

然后，分析该pMOSFET的NBTI曲线与噪声功率谱密度曲线的关联性(步骤S23)。

从步骤S21测得的NBTI曲线，采用阈值电压随时间变化的公式1进行拟合，以获得NBTI曲线的初始处的初始V_th退化值ΔV_th，ini和NBTI曲线的参数B、n。

从步骤S22测得的噪声功率谱密度曲线S_Id(f)，获得某一特定频率例如25Hz处的S_Id值。

采用上述获得的初始V_th退化值ΔV_th，ini、上述获得的特定频率下的S_Id值和测得的漏电流I_d，根据公式5计算出k·EOT的数值。

已经知道，在该批半导体器件中，多个pMOSFET具有相同的栅介质和等效氧化物厚度EOT，因此，k·EOT应当也是常数。在第二实施例中，没有必要测量或计算等效氧化物厚度EOT和相关系数k的各自的数值。

然后，在多个pMOSFET中，按实际需要选择一定数量的pMOSFET作为第二组样品。

对第二组样品中的每一个，执行步骤S24和S25。

其中，步骤S24与图2所示的步骤S16完全相同。

采用在步骤S23中从第一组样品获得的参数B、n和常数k·EOT，以及在步骤S24中测量的S_Id、I_d，根据公式6，计算出第二组样品的NBTI曲线(步骤S25)。

在该步骤中也可以根据公式5计算第二组样品中的每一个样品的初始V_th退化值ΔV_th，ini。

以上描述的实施例只是为了示例说明和描述本发明，而非意图穷举和限制本发明。因此，本发明不局限于所描述的实施例。对于本领域的技术人员明显可知的变型或更改，均在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种用于测试半导体器件可靠性的方法，其中所述半导体器件具有负偏置温度不稳定性NBTI，包括以下步骤：

测量第一组半导体器件的NBTI曲线；

在将第一组半导体器件偏置于栅电场的条件下，测量第一组半导体器件在预定频率下的1/f噪声功率谱密度和漏电流；

在将第二组半导体器件偏置于所述栅电场的条件下，测量第二组半导体器件在所述预定频率下的1/f噪声功率谱密度和漏电流；

利用第一组半导体器件的NBTI曲线来评估第二组半导体器件的退化特性，

其中所述第一组半导体器件和所述第二组半导体器件分别包括相同材料的栅介质。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件和所述第二组半导体器件是pMOSFET。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述栅介质为SiON或高K电介质材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述高K电介质材料选自HfO₂、La₂O₃、Al₂O₃、TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述高K电介质材料采用金属掺杂。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件和所述第二组半导体器件中至少一个半导体器件的栅介质的厚度与其他半导体器件的栅介质的厚度不同，所述方法在评估第二组半导体器件的退化特性的步骤之前还包括：

测量第一组半导体器件的栅介质的等效氧化层厚度；以及

测量第二组半导体器件的栅介质的等效氧化层厚度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件和所述第二组半导体器件中至少一个半导体器件的栅介质层的掺杂剂与其他半导体器件的栅介质的掺杂剂不同。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件和所述第二组半导体器件中至少一个半导体器件的栅介质层的掺杂水平与其他半导体器件的栅介质的掺杂水平不同。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件和所述第二组半导体器件中至少一个半导体器件的栅介质的界面层与其他半导体器件的栅介质的界面层不同。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件是单独制造的用于测试的样品。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件是与第二组半导体器件在同一批次中制造的半导体器件。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组半导体器件包括至少一个半导体器件。

13.根据权利要求1所述的方法，其中测量第一组半导体器件在预定频率下的1/f噪声功率谱密度的步骤被重复多次并对测量结果取平均值。

14.根据权利要求1所述的方法，其中测量第二组半导体器件在预定频率下的1/f噪声功率谱密度的步骤被重复多次并对测量结果取平均值。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二组半导体器件的退化特性为初始阈值电压退化值ΔV_th，ini。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二组半导体器件的退化特性为NBTI曲线。

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