CN102163568B - 一种提取mos管沿沟道电荷分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种提取MOS管沿沟道电荷分布的方法，应用于MOS管中界面态与栅介质电荷分布的提取。包括：把一个MOS管加入到测试电路中，用电荷泵电流测试法测得应力前后MOS管两条漏端开路或源端开路的电荷泵电流曲线，一条为原始曲线，一条为应力后曲线；寻找原始曲线上任意一点A对应到应力后曲线上一点B，通过局部点的电荷泵电流变化量和电压的变化估算局部产生界面态电荷和栅介质层电荷量。与现有的提取分布方法相比，这种方法在能够计算机的辅助下能简单快捷提取出从漏或源端到沟道中电荷的分布，省去了大量的繁琐的反复测试，可以为器件可靠性的改进提供有效的依据。

Description

一种提取MOS管沿沟道电荷分布的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件测试领域，具体是针对MOS管中界面态与栅介质电荷分布的测试提取方法。

背景技术

近几十年来，随着电路的集成度的提高，器件尺寸也逐渐缩小到深亚微米以至纳米量级。同时，随着器件特征尺寸缩小，器件性能也在不断变化发展。但是，器件特征尺寸的减小也带来了各种可靠性问题，其中主要包括热载流子效应、NBTI以及氧化层随时间的击穿(TDDB)等。可靠性问题主要是由于外加应力导致器件内Si/SiO₂界面以及栅介质层中产生一些陷阱，严重影响着小尺寸器件的各种特性。所以，能够准确地测量界面态与栅介质层中陷阱电荷密度对于器件可靠性的研究尤为重要。

由于在外界应力下产生的界面陷阱和栅介质层电荷具有非均匀分布的特点，因此靠传统的中带阈值电压方法、电容(C-V)方法，导纳(Conductance)方法，深能级瞬态谱(DLTS)和随机电报噪声(Random Telegraph Noise)很难可靠、准确地测量器件在外界应力下产生的缺陷。而目前比较广泛应用的测量界面态电荷密度的方法主要是电荷泵技术(ChargePumping)。

电荷泵技术于1969年由J.Stephen.Brugler提出，主要的原理如图1所示，器件的源漏同时加一反偏电压，栅极加一脉冲电压。当给NMOS器件栅极加一正脉冲电压高于阈值电压V_th，使表面被深耗尽而进入反型状态时，电子将从源漏区流入沟道，其中一部分会被界面态俘获。当栅脉冲电压值低于平带电压V_fb，使器件表面返回积累状态时，沟道中的可动电子由于反偏作用又回到源和漏区。陷落在界面态中的电子由于具有较长的退陷时间常数，在沟道消失之后仍然陷落在界面态中，将与来自衬底的多数载流子复合，产生衬底电流I_cp。由于I_cp电流大小对界面陷阱非常敏感，它直接正比于界面态密度、器件栅面积和栅脉冲频率，所以界面陷阱的变化会直接反映在I_cp上。其中公式1反映了他们之间的关系

$\stackrel{\‾}{D_{\mathrm{it}}}=\frac{I_{\mathrm{cp}}}{q\×\mathrm{Area}\×f\×\mathrm{\ΔE}}$ (公式1)

为平均界面态密度，q是基本电荷量，Area是栅面积，f是脉冲频率，ΔE是硅表面反型与积累时费米能级之间的能量差。

VLSI制造技术正向纳米尺度迅速发展，在器件的沟道长度、结深和栅氧厚度等尺寸等比缩小和衬底掺杂浓度增加的同时，电源电压并未能随之等比例缩小，这就导致沟道区的局部横向和纵向电场显著增加。在局部强电场作用下，MOS器件的可靠性受到了严峻的挑战，同时在界面处和栅介质层中产生的局部电荷对器件的性能影响也很关键。由于传统的电荷泵方法大多只能计算出整个界面处产生的平均电荷密度，尽管有人通过改变测试条件与结构能粗略地计算出由于应力产生的界面态和介质层电荷沿沟道方向的分布，但都需要进行十分复杂的计算过程，需要通过不断地改变栅脉冲幅度或改变漏端与衬底的偏压，测出一系列不同栅脉冲基准电压下的电荷泵曲线，根据获得的最大值电流获得各新电荷沿沟道方向的分布。因此传统的基于电荷泵法提取器件沿沟道方向的界面态和栅介质层电荷分布需要进行大量的测试与计算，过程相当繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电荷泵法提取MOS管因应力产生沿沟道界面态与栅介质电荷分布的方法。

本发明提供的技术方案如下：

方案1：一种提取MOS管沿沟道电荷分布的方法，应用于MOS管中界面态与栅介质电荷分布的提取，其特征在于，包括如下步骤：

a)构造测试电路，采用固定脉冲幅度、改变基准电压的电荷泵电流测试法测得应力前后MOS管漏端开路和源端开路的四条电荷泵电流曲线(如图5)，一对为源端开路原始曲线Origin1和应力后源端开路曲线Post-stress1，一对为漏端开路原始曲线Origin2和应力后漏端开路曲线Post-stress2，其中两条Origin曲线(Origin1和Origin2)重合；采用电荷泵法测量电荷泵电流曲线时，应分别将漏端或源端开路，以便能分别测试得到从源端到沟道中央或从漏端到沟道中央的电荷分布，具体测试电路图见图1；

b)寻找应力前源端开路曲线(Origin)上任意一点A对应到应力后源端开路曲线(Post-stress)上一点B，通过局部点A处的电荷泵电流变化量和电压的变化估算局部产生界面态电荷和栅介质层电荷量。

方案2：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤b)的实现步骤为(方法流程图如图2，流程图图示参图3)：

1)根据应力前源或漏端开路曲线得到关于局部对应点阈值电压V_th和平带电压V_fb沿沟道的分布：

假使应力前原始的MOS管界面态均匀分布(工艺条件良好)，由应力前电荷泵法测量的曲线得到关于局部对应点阈值电压V_th和平带电压V_fb沿沟道的分布(公式2)，分布的结果见图4，

$I_{\mathrm{cp}}\left(V_{\mathrm{th}}\right)=q\×f\×\stackrel{\‾}{D_{\mathrm{it}}}\×W\×x$ (公式2)

其中x为沟道中的某一点位置，取值为：

$x=\frac{L\×I_{\mathrm{cp}}\left(V_{\mathrm{th}}\right)}{I_{\mathrm{cp},\max }}$ (公式3)

I_cp(V_th)局部电荷泵电流，I_cp，max为该管产生的最大电荷泵电流；

2)任意选取应力前源端开路曲线Origin1在区域I上的一点A(处于每条曲线电流最大值点左侧曲线定义为该曲线的区域I，右侧曲线定义为区域II)；

3)枚举应力后源端开路曲线Post-stress1在区域I上的点B_i(i＝1，2，3…)，得到电荷泵电流变化量ΔI_cp(x)和局部阈值电压漂移量ΔV_th(x)，计算(由公式4和公式5)出A点到B点处界面态电荷变化量ΔN_it(x)和栅介质电荷变化量ΔN_ot(x)；

${\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{it}}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{cp}}\left(x\right)}{q\×f\×\mathrm{Area}}$ (公式4)

${\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{oc}}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{th}}\left(x\right)\×C_{\mathrm{ox}}}{q}+{\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{it}}\left(x\right)$ (公式5)

其中C_ox为栅介质单位电容；

4)从步骤1)得到的局部阈值电压和平带电压分布图(参图3c)找到应力前源端开路曲线Origin1上点A在区域II上对应的点C，根据阈值电压和平带电压偏移关系式(公式6和公式7)，其中假设类受主界面态占据能带中部以上，类施主界面态占据能带中部以下，在应力后源端开路曲线Post-stress1区域II上找到对应的D点；

ΔV_th(x)＝qΔN_ot(x)/C_ox-qΔN_it(x)/2C_ox        (公式6)

ΔV_fb(x)＝qΔN_ot(x)/C_ox+qΔN_it(x)/2C_ox        (公式7)

其中q为基本电荷量，C_ox为栅介质单位电容；

5)从局部阈值电压或平带电压分布图(参图3c)找到应力前漏端开路曲线Origin2上点A’对应应力前源端开路曲线Origin1上点A(根据局部阈值电压或平带电压值相等)，重复步骤4找到应力前漏端开路曲线Origin2上点A’在区域II上对应的点C’；

6)记B和A两点之间的电荷泵电流差为ΔI_cp1，D和C两点之间的电荷泵电流差为ΔI_cp2。因C点和C’点因应力产生的电荷泵电流变化量相同，记D’和C’两点之间的电荷泵电流差为ΔI_cp2’，根据关系式ΔI_cp2’＝ΔI_cp2在应力后漏端开路曲线Post-stress2区域II上找到对应的D’点；

7)根据阈值电压和平带电压偏移关系式(公式6和公式7)，在应力后漏端开路曲线Post-stress2区域I上找到与点A’对应的点B’(参步骤4)；

8)因应力产生的界面态密度远大于原始工艺条件良好的界面上的界面态密度，在比较中忽略局部原始界面态的影响。记B’和A’两点之间的电荷泵电流差为ΔI_cp1’，应力前后所测得的电荷泵电流最大值之差为ΔI_cp，max(两组电流差相同)，在应力后源端开路曲线Post-stress1曲线区域I上枚举点B，直到ΔI_cp1+ΔI_cp1’+ΔI_cp2(或ΔI_cp2’)＝ΔI_cp，max；

9)当找到对应点B时，也得到了局部ΔN_it(x)和ΔN_ot(x)，即在应力后新增界面态电荷和栅介质层电荷沿沟道的分布。

方案3：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，在步骤a)中，所述测试电路为源端开路时，MOS管的源端悬空，漏端和衬底短接，栅端外接频率和幅度固定、基准电压V_base变化的脉冲电压。

方案4：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，在步骤a)中，所述测试电路为漏端开路时，MOS管的漏端是悬空，源端和衬底短接，栅端外接频率和幅度固定、基准电压V_base变化的脉冲电压。

方案5：作为方案3或4的一种优选实现，其特征在于，固定脉冲幅值大于平带电压V_fb和阈值电压V_th之差。

方案6：作为方案3或4的一种优选实现，其特征在于，固定脉冲频率大于500Hz。

方案7：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，在步骤a)中，所述应力为热电子注入(HCI)应力。

本发明的有益效果：

与现有的提取分布方法相比，这种方法能够在计算机的辅助下能简单快捷提取出从漏或源端到沟道中电荷的分布，省去了大量的繁琐的反复测试，可以为器件可靠性的改进提供有效的依据。

附图说明

图1改进的源端开路电荷泵电流测试原理图；

图2本发明提取电荷分布的方法流程图；

图3流程图图示说明图；其中3a为一对源端开路应力前后的电荷泵电流曲线，3b为一对漏端开路应力前后的电荷泵电流曲线，3c为应力前后局部阈值电压和局部平带电压沿沟道分布图；

图4MOS管原始的局部阈值电压和局部平带电压沿沟道的分布图；

图5应力前后所测试出的四条源端开路电荷泵电流I_cp-V_base曲线；其中Origin为应力前测得的曲线，两条Origin曲线重合；Post-stress为应力后测得的曲线；

图6实例中因应力产生的界面态电荷沿沟道分布图；

图7实例中因应力产生的栅介质层电荷沿沟道分布图。

具体实施方式

下面参照附图，更详细地描述出本发明的最佳实施例。

本例实施测试的MOS管为NMOS(PMOS与之类似)，选取工艺条件良好、界面态均匀的NMOS管，其宽(W)和长(L)分别为6um和0.5um。在经过1000s热载流子应力注入后，对其界面态和栅介质层电荷进行了测试。如图1采用了源漏一端开路、一段接入反向偏置电压的电荷泵电流测试法。在栅极加上一固定频率、固定幅度的脉冲电压，脉冲电压的幅度值应大于阈值电压V_th和平带电压V_fb之差，同时扫描基准电压，这样就可以得到两组应力前后电荷泵电流曲线，见图5，其中两条origin曲线重合。

参照发明内容中方案2所述的方法，最终得到因应力条件产生的界面态电荷和栅介质层电荷沿沿漏端到沟道中的分布图(见图6和图7)。

综上所述，采用本发明的MOS管界面态电荷和栅介质层电荷提取方法，可快速提取在应力后MOS管界面态电荷和栅介质层电荷沿沟道的分布情况。

Claims (5)

1.一种提取MOS管沿沟道电荷分布的方法，应用于MOS管中界面态与栅介质电荷分布的提取，其特征在于，包括如下步骤：

a)构造测试电路，采用固定脉冲幅度、改变基准电压的电荷泵电流测试法测得应力前后MOS管漏端开路和源端开路的四条电荷泵电流曲线；

b)寻找应力前源端开路曲线上任意一点A对应到应力后源端开路曲线上一点B，通过局部点A的电荷泵电流变化量和电压的变化估算局部产生界面态电荷和栅介质层电荷量；

在步骤a)中，所述应力为热电子注入应力；

所述步骤b)的实现步骤为：

1)根据应力前源或漏端开路曲线得到关于局部对应点阈值电压Vth和平带电压Vfb沿沟道的分布；

2)任意选取应力前源端开路曲线Origin1在区域I上的一点A；

3)枚举应力后源端开路曲线Post-stress1在区域I上的点B，得到电荷泵电流变化量ΔIcp(x)和局部阈值电压漂移量ΔVth(x)，计算出A点到B点处界面态电荷变化量ΔNit(x)和栅介质电荷变化量ΔNot(x)；

4)从步骤1)得到的局部阈值电压和平带电压分布图找到应力前源端开路曲线Origin1上点A在区域II上对应的点C，根据阈值电压和平带电压偏移关系式(1)和(2)，在应力后源端开路曲线Post-stress1区域II上找到对应的D点；

ΔVth(x)＝qΔNot(x)/Cox-qΔNit(x)/2Cox    …(1)

ΔVfb(x)＝qΔNot(x)/Cox+qΔNit(x)/2Cox    …(2)

其中q为基本电荷量，Cox为栅介质单位电容；

5)根据局部阈值电压或平带电压值相等找到应力前漏端开路曲线Origin2上点A’对应应力前源端开路曲线Origin1上点A，重复步骤4找到应力前漏端开路曲线Origin2上点A’在区域II上对应的点C’；

6)记B和A两点之间的电荷泵电流差为ΔIcp1，D和C两点之间的电荷泵电流差为ΔIcp2；D’和C’两点之间的电荷泵电流差为ΔIcp2’，根据关系式ΔIcp2’＝ΔIcp2在应力后漏端开路曲线Post-stress2区域II上找到对应的D’点；

7)根据阈值电压和平带电压偏移关系式，在应力后漏端开路曲线Post-stress2区域I上找到与点A’对应的点B’；

8)记B’和A’两点之间的电荷泵电流差为ΔIcp1’，应力前后所测得的电荷泵电流最大值之差为ΔIcp，max，在应力后源端开路曲线Post-stress1曲线区域I上枚举点B，直到ΔIcp1+ΔIcp1’+ΔIcp2＝ΔIcp，max或ΔIcp1+ΔIcp1’+ΔIcp2’＝ΔIcp，max；

9)当找到对应点B时，也得到了局部ΔNit(x)和ΔNot(x)，即在应力后新增界面态电荷和栅介质层电荷沿沟道的分布；

其中，处于每条曲线电流最大值点左侧曲线定义为该曲线的区域I，右侧曲线定义为区域II。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述测试电路为源端开路时，MOS管的源端悬空，漏端和衬底短接，栅端外接频率和幅度固定、基准电压Vbase变化的脉冲电压。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述测试电路为漏端开路时，MOS管的漏端是悬空，源端和衬底短接，栅端外接频率和幅度固定、基准电压Vbase变化的脉冲电压。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，固定脉冲幅值大于平带电压Vfb和阈值电压Vth之差。

5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，固定脉冲频率大于500Hz。

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