CN102169869B - 用于检测mos器件晶向相关性的可靠性测试结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测MOS器件晶向相关性的可靠性测试结构及方法，该结构包括：两个MOS器件，所述两个MOS器件的源极、漏极分别连接，形成两个器件共同的源极和共同的漏极，所述两个MOS器件具有不同的晶向，且沟道宽度为W、沟道长度为L，W、L的值由两个MOS器件的栅极分别与共同的源漏区域的相对位置决定。本发明节省了可靠性测试结构的面积、缩短了可靠性测试的时间，并提高了可靠性测试的效率。

Description

用于检测MOS器件晶向相关性的可靠性测试结构及方法
技术领域
本发明涉及MOS器件可靠性研究领域，尤其涉及一种用于检测MOS器件晶向相关性的可靠性测试结构及方法。
背景技术
随着半导体技术的飞速发展和微电子芯片集成度的大幅提高，集成电路设计和加工水平已经进入纳米MOS时代，由此而带来的导致纳米MOS器件性能退化，影响器件可靠性的因素不断出现。由于器件尺寸的缩小以及特殊应变技术的应用，使得MOS器件的性能与应力的分布、大小密切相关，对于负偏置温度不稳定性(NBTI，NegativeBias Temperature Instability)和热载流子效应(HCI，Hot CarrierInjection)，常规的测试方法是采用单一的NBTI或者HCI可靠性测试结构进行加速电应力测试，为了获得NBTI退化或HCI退化的晶向相关性结果，需要在不同的可靠性测试结构上进行多次测量。该结构如图1中(a)所示，包括两个独立MOS器件，每一个器件包括源极、栅极、漏极和衬底，其中栅极的走向决定了MOS器件的晶向，W和L分别表示器件的沟道宽度和沟道长度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何节省可靠性测试结构的面积、缩短可靠性测试的时间，并提高可靠性测试的效率。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于检测MOS器件晶向相关性的可靠性测试结构，包括：具有不同的晶向的两个MOS器件，所述两个MOS器件的源极、漏极分别连接，形成两个器件共同的源极和共同的漏极，所述结构的沟道宽度为W、沟道长度为L，W、L的值由两个MOS器件的栅极分别与共同的源漏区域的相对位置决定。
其中，所述结构还包括一个衬底。
本发明还提供了一种利用上述的结构进行用于检测MOS器件晶向相关性的可靠性测试方法，包括以下步骤：
S1、测量MOS器件的初始特性，得到初始器件参数；
S2、对所述MOS器件施加应力条件，在预设的时间间隔内对该MOS器件进行应力老化测试；
S3、对所述MOS器件进行参数测试，得到与退化时间相对应的器件参数，直至施加应力的总时间结束。
其中，所述应力老化测试为负偏置温度不稳定性NBTI退化测试或者热载流子效应HCI退化测试。
其中，所述应力条件包括电压和温度。
(三)有益效果
本发明集成了检测NBTI退化和HCI退化晶向相关性的可靠性测试结构，此结构将单一的NBTI和HCI测试结构在不同晶向上进行了叠加，通过源、漏、栅极的复用，在同一测试结构中包含不同晶向的器件，其中用具有最短沟道长度的器件来进行HCI退化的测试，而用长沟器件来进行NBTI退化测试，使得晶向相关可靠性测试可以在同一测试结构上完成，而没有额外增加压焊点(PAD)的数量，从而节省了测试结构的面积，而且还缩短了一半的可靠性测试的时间，从而提高了可靠性测试的效率。
附图说明
图1中(a)是传统的晶向相关性的可靠性测试器件结构示意图；(b)是本发明实施例的晶向相关性的可靠性测试器件结构示意图；
图2是本发明的方法流程图；
图3示出了利用传统的方法和利用本发明的方法对器件进行测试得到的结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
当MOS器件在HCI或者NBTI可靠性应力作用下，器件的退化主要表现为阈值电压、饱和漏电流、跨导等关键器件参数的漂移，一旦器件的关键参数漂移到一定程度，MOS器件的正常工作状态将不复存在，最终会导致集成电路的失效。目前，主要的退化模式是nMOSFET的热电子注入和pMOSFET的负偏置温度不稳定性。在正常工作状态下，HCI或者NBTI的退化在整个集成电路的寿命周期内是一个缓慢的积累过程，因此，对于硅片级MOS器件的HCI或者NBTI退化的表征必须借助于短时间的加速应力。
如图1(b)所示，本发明实施例的晶向相关性的可靠性测试器件结构如下：通过栅极的走向确定不同的晶向，栅极与共同的源漏区域的相互位置决定了器件的沟道长度和宽度，两个器件的源、漏极通过内部连接在一起，形成共用的源极和漏极(也就是共同的源漏区域)。本结构包括源极、栅极、漏极和衬底四端，与常规MOS器件兼容。NBTI和HCI可靠性测试均可采用本结构，对于NBTI可靠性，一般采用长沟器件，此时L应远大于工艺最小尺寸，而对于HCI可靠性，一般采用最短沟道长度器件，此时L＝工艺最小尺寸。
本发明可以用于检测MOS器件晶向相关性，尤其是针对纳米级微小尺度的MOS器件的晶向应力进行相关效应测量。
使用上述结构进行测试的方法流程图如图2所示，包括以下步骤：
S1、首先测量MOS器件的初始特性，得到初始器件参数，如漏电流Id0，阈值电压Vth0等；
S2、对MOS器件施加应力条件，如电压、温度等，在预设的时间间隔内对该MOS器件进行应力老化测试，包括NBTI退化测试或HCI退化测试；
S3、对经历了应力老化测试的MOS器件进行参数测试，得到与NBTI或者HCI退化时间相对应的器件参数，如Id，Vth等，直至施加应力总时间结束为止(步骤S3与S2过程中，对器件所施加的电压不同)。由此可以得到器件关键参数的变化(如Id-Id0，Vth-Vth0等)随退化时间的动力学模型，用Δ(t)表示，研究显示，Δ(t)与退化时间t之间满足幂指数关系：
Δ(t)＝Atn            (1)
其中A和n是模型常数，与工艺、器件、应力条件等因素相关。一般来讲，对HCI和NBTI应力下，幂指数n的取值在0.16和0.5之间，A的取值与应力条件相关。
使用上述MOS器件晶向相关性的可靠性结构，可以在同样的应力条件下对两种不同晶向的器件进行可靠性退化测试。由于两者的退化速率不同(如图3中结构1和结构2退化曲线所示，其中结构1和结构2为图1中表示的两种不同晶向的单一器件)，因此，在本发明的新结构下获得的退化数据与退化时间的关系不再严格满足幂指数关系，在对数-对数坐标下，存在不同的斜率变化(如图3所示)，从而获得不同晶向下器件退化的差异。由图3可以看出，本发明采用一次测量就可以得到可靠性退化的结果，即一条曲线，从图3中的结果看，结果具有明显两段斜率的变化，显示不同晶向对NBTI或HCI退化的影响。图3中，a.u表示任意单位，若退化量为Id-Id0，则该单位为电流的单位，若退化两为Vth-Vth0，则单位为电压的单位。
本发明的测试结构集成了不同晶向下的器件，在同一应力条件下，单次测量即可评估不同晶向器件的可靠性特性，提高了测试效率。另外，由于结构上设计中采用了源、漏、栅极复用，减少了测试结构面积。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种用于检测MOS器件晶向相关性的可靠性测试结构，其特征在于，包括：具有不同的晶向的两个MOS器件，所述两个MOS器件的源极、漏极分别连接，形成两个器件共同的源极和共同的漏极，所述可靠性测试结构的沟道宽度为W、沟道长度为L，W、L的值由两个MOS器件的栅极分别与共同的源漏区域的相对位置决定。
2.如权利要求1所述的可靠性测试结构，其特征在于，所述结构还包括一个衬底。
3.一种利用权利要求1或2所述的可靠性测试结构进行用于检测MOS器件晶向相关性的可靠性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测量MOS器件的初始特性，得到初始器件参数；
S2、对所述MOS器件施加应力条件，在预设的时间间隔内对该MOS器件进行应力老化测试；
S3、对所述MOS器件进行参数测试，得到与退化时间相对应的器件参数，直至施加应力的总时间结束。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述应力老化测试为负偏置温度不稳定性退化测试或者热载流子效应退化测试。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述应力条件包括电压和温度。
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