CN102313867A

CN102313867A - 有效薄层电荷密度获取方法

Info

Publication number: CN102313867A
Application number: CN201110296324A
Authority: CN
Inventors: 胡志远
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-01-11

Abstract

一种有效薄层电荷密度获取方法，包括：使所述晶体管承受相同的辐射，并在不同的衬底偏置条件下，分别测量每一次在辐射前后的阈值电压值；获取所述晶体管在辐射前后的阈值电压偏移值；根据所述阈值电压偏移值之差以及其对应的衬底偏置条件，获取沿STI侧墙的有效薄层电荷密度。本发明有效地利用了具有不同沟道宽度的晶体管的阈值电压偏移值之间的差值，对由于辐射所产生的STI氧化层中的有效薄层电荷密度进行准确的估算，简化了计算复杂程度，提高了器件可靠性评估的精确度。

Description

有效薄层电荷密度获取方法

技术领域

本发明涉及半导体可靠性评估，且特别涉及有效薄层电荷密度获取方法。

背景技术

随着CMOS工艺尺寸的缩小，总剂量辐射效应由于栅氧厚度的减小而得以改善。总剂量辐射效应是器件在辐射环境中所产生一种效应，具体来说，器件在辐射环境下会产生退化。比如在太空应用中，器件在太空中可能要工作数10年，太空高能粒子的长时间辐照会在器件中产生累积，形成总剂量辐射效应；此外，不止是太空应用，地铁安检、飞机安检或生产工艺中的离子注入等情况下，x射线，γ射线等也都会形成总剂量辐射效应，从而造成器件的退化。

尽管CMOS工艺尺寸有所缩小，但是由于浅沟道隔离(STI)氧化层并不相应的减小，仍具有几百纳米的厚度，因此，辐射仍会在STI氧化层中引入电荷，即有效薄层电荷，使得STI氧化层对总剂量辐射效应相当敏感。为了有效的评估器件的可靠性，有必要较为准确的评估有效薄层电荷密度。

离子辐射在隔离绝缘层，尤其是位于靠近STI沟道侧墙的位置，所感生的正向氧化层陷阱电荷，在沟道边缘形成反型层并产生漏电流通路，并成为n沟道MOSFET关态漏-源漏电流的主要来源。图1中虚线A-A’和B-B’显示了沟道边缘的漏-源漏电流通路。其中，MOS晶体管可视作为两个寄生晶体管和一个主晶体管并联，STI中的氧化层陷阱电荷反型了两个寄生晶体管的沟道，因而产生了后续的漏电流通路。

为了更好的研究漏电流所引起的边缘效应，需要对由离子辐射所引起的寄生晶体管效应进行进一步研究和分析。尤其在窄沟道MOSFET中，不仅应考虑寄生晶体管的退化，并且还应考虑到主晶体管阈值电压的偏移。由于离子辐射导致的阈值电压偏移在窄沟道MOS晶体管中较宽沟道MOS晶体管更为明显。这一效应被称作为辐射感生窄沟道效应(RINCE)。

在这些研究和分析中，通常需要对沿STI侧墙处的有效薄层电荷密度进行估计。目前业界常用的方法较为繁琐复杂，例如参考图2，其采用了沿沟道侧墙四分之一周期路径的电荷采集，其中，路径长度随距沟道拐角的距离增大而增大，依次增加了能潜在收集的的电荷数量。但是，距离较大时电场强度又较弱，使得电荷产额变低。上述方法不仅计算繁复，而且在划分和计算过程中多次采用近似、等同等处理方式，并不能准确地对STI氧化层中的有效薄层电荷进行描述。

在生产和常规研究中，为了简便，可认为沿STI侧墙处具有恒定的有效薄层电荷密度。目前业界尚未有方法能够准确地对有效薄层电荷密度进行获取，这对器件在辐射环境下的研究与进一步改善以及对器件可靠性的评估都带来了困难。

发明内容

本发明提出一种有效薄层电荷密度获取方法，能够用简单有效的方法准确地获取由于辐射所产生的STI层中的有效薄层电荷密度。

为了实现上述技术目的，本发明提出一种有效薄层电荷密度获取方法，包括：使所述晶体管承受相同的辐射，并在不同的衬底偏置条件下，分别测量每一次在辐射前后的阈值电压值；获取所述晶体管在辐射前后的阈值电压偏移值；根据所述阈值电压偏移值之差以及其对应的衬底偏置条件，获取沿STI侧墙的有效薄层电荷密度。

可选的，所述施加不同的衬底偏置条件包括使得所述晶体管具有不同的耗尽层最大宽度。

可选的，所述施加不同的衬底偏置条件包括施加不同的基源电压。

可选的，所述根据阈值电压偏移值之差以及其对应的衬底偏置条件，获取沿STI侧墙的有效薄层电荷密度包括：所述有效薄层电荷密度与所述晶体管的不同耗尽层最大宽度的差值成反比，并且所述有效薄层电荷密度与所述晶体管的阈值电压偏移值之差成正比。

可选的，所述有效薄层电荷密度为栅氧化层单位电容、所述晶体管的阈值电压偏移值之差和沟道宽度的乘积与电子电量和耗尽层最大宽度之差的乘积的两倍的比值。

本发明的有益效果为：有效地利用了具有不同衬底偏置条件的晶体管的阈值电压偏移值之间的差值，对由于辐射所产生的STI氧化层中的有效薄层电荷密度进行估算，大大简化了计算复杂程度，并且能够准确有效地获取所需要的有效薄层电荷密度，从而提高了器件可靠性评估的精确度。

附图说明

图1为常规NMOS晶体管漏电流的结构示意图；

图2为目前业界常用于估算有效薄层电荷密度的结构剖面示意图；

图3为本发明有效薄层电荷密度获取方法一种实施方式的流程示意图；

图4为晶体管中电荷分布示意图。

具体实施方式

经过长期的实验和生产实践，发明人提出了一种有效薄层电荷密度获取方法，其中，发明人基于电荷守恒原则，将晶体管阈值电压偏移值根据造成阈值电压偏移的原因进行区分，并有效地利用了具有不同衬底偏置条件的晶体管的阈值电压偏移值之间的差值，避免了传统方法中需要对由栅氧中的电荷改变量所引起的阈值电压偏移值进行计算，从而能够用简单有效的方法准确地获取由于辐射所产生的STI氧化层中的有效薄层电荷密度。

下面将结合具体实施例和附图，对本发明有效薄层电荷密度获取方法进行详细阐述。

参考图3，本发明有效薄层电荷密度获取方法的一种具体实施方式可包括以下步骤：

步骤S1，使所述晶体管承受相同的辐射，并在不同的衬底偏置条件下，分别测量每一次在辐射前后的阈值电压值；

步骤S2，获取所述晶体管在辐射前后的阈值电压偏移值；

步骤S3，根据所述阈值电压偏移值之差以及其对应的衬底偏置条件，获取沿STI侧墙的有效薄层电荷密度。

其中，步骤S1中，所述施加不同的衬底偏置条件具体可包括施加不同的基源电压，使得所述晶体管具有不同的耗尽层最大宽度。

其中，在具体实施过程中，步骤S1中的所述辐射，可包括由于太空高能粒子的长时间辐照，或者是地铁/飞机安检，或者是生产工艺中的离子注入，或者是其它情况下的x射线或γ射线等所产生的辐射。

其中，在一种具体实施方式中，步骤S3可进一步包括：所述有效薄层电荷密度与上述晶体管的不同耗尽层最大宽度的差值成反比，并且所述有效薄层电荷密度与上述晶体管的阈值电压偏移值之差成正比。

具体地，参考图4，在图示晶体管中，根据电荷守恒原则，整个器件对外电荷为零，也就是说，

Q_STI+Q_M+Q_gox+ΔQ_gox+Q_n+Q_B＝0，其中，

Q_STI为耗尽层101以上的浅沟槽(STI)105中总的有效电荷；

Q_M为栅极104中的电荷；

Q_gox为辐射之前栅氧化层103中总的有效电荷；

ΔQ_gox为栅氧化层103中由于辐射所导致的总的有效电荷；

Q_n为反型层102中的总电荷；

Q_B为耗尽层101中的总电荷。

并且，在n-MOSFET中，Q_STI＞0，Q_M＞0，Q_gox＞0，ΔQ_gox＞0，Q_n＜0，Q_B＜0。

在辐射之前，由于不存在离子辐射影响，Q_STI＝ΔQ_gox＝0，此时，晶体管的阈值电压V_th为：

V_{th} = ψ_{MS} + 2 ψ_{B} - \frac{Q_{gox}}{C_{OX} A} - \frac{Q_{B}}{C_{OX} A},

其中，

ψ_MS为栅极104和体硅之间的功函数差；

2ψ_B为阈值电压时的表面势；

A为栅极104的面积，具体地，A＝W*L，W为沟道宽度，L为沟道长度；

C_OX为单位面积的栅氧化层电容，具体地，

ε为介电常数，T_OX为栅氧化层厚度；

并且Q_B＝qAN_AX_dm，其中，q为电子电量，N_A为沟道掺杂浓度，X_dm为耗尽层101的最大宽度，具体地，

V_BS为基源电压。

当辐射之后，由于离子辐射作用，电荷产生了重新分布，有效薄层电荷积聚在两侧的浅沟槽(STI)105中，即Q_STI，此外，聚集在栅氧化层的电荷数也有所增加，即ΔQ_gox。因此，辐射后的阈值电压可表示为：

V_{th, rad} = ψ_{MS} + 2 ψ_{B} - \frac{Q_{gox} + Δ Q_{gox}}{C_{OX} A} - \frac{Q_{B} + Q_{STI}}{C_{OX} A}

不难看出，由于电荷分布的改变，辐射后的阈值电压也产生了偏移。比较辐射前后的阈值电压，可以获得阈值电压的偏移值ΔV_th为：

Δ V_{th} = - \frac{Δ Q_{gox}}{C_{OX} A} - \frac{Q_{STI}}{C_{OX} A}

虽然可以通过实验等方式测得阈值电压的偏移值ΔV_th，但是由于ΔQ_gox无法测量或通过合适的模型进行估算，业界通常无法采用该方法直接获取Q_STI。事实上，到目前为止，尚未有在先理论或技术方案通过阈值电压的偏移值对Q_STI以及进一步对STI中的有效薄层电荷密度进行获取。其中，Q_STI为STI中有效薄层电荷的总和，可采用多种电荷分布规律的模型对Q_STI以及所述有效薄层电荷密度N_t进行描述。例如，为了实现估算效率以及准确度的较好平衡，同时便于生产实践中的广泛应用，可采用一阶估计，此时，Q_STI＝2qLX_dmN_t。

对同一晶体管在辐射之后加不同衬底偏置条件，所产生的ΔQ_gox/A并无差别。发明人通过进一步实践发现，由于离子的辐射作用而在STI层聚集的电荷并不随辐射前后的测量情况而改变，也就是说，在不同的衬底偏置条件下，STI层的有效薄层电荷密度并不发生变化。因此，由ΔQ_gox对阈值电压偏移值所造成的影响相同；而对于Q_STI而言，由于Q_STI＝2qLX_dmN_t，由Q_STI对阈值电压偏移值所造成的影响却由于晶体管不同衬底偏置条件而有所差异，发明人从而获得了根据阈值电压偏移值的差值获取STI中的有效薄层电荷密度N_t的发明思路。

在本发明有效薄层电荷密度获取方法的具体实施过程中，可对晶体管M1进行辐照。

接着，分别对晶体管M1施加不同的衬底偏置条件，例如施加不同的基源电压，使得晶体管M1分别具有不同的衬底偏置条件，具体地，例如使得晶体管M1所对应的耗尽层最大宽度分别为X_dm1和X_dm2。

接着，测量处于第一衬底偏置条件下时，晶体管M1在辐射前后的阈值电压V_th，sub1和V_th，sub2。然后，使晶体管M1处于第二衬底偏置条件，并再次对晶体管M1的阈值电压进行测量，并获得其对应的阈值电压V′_th，sub1和V′_th，sub2。

接着，计算分别在不同衬底偏置条件下时，晶体管M1在辐射前后阈值电压的偏移值：

ΔV_th，sub1＝V′_th，sub1-V_th，sub1

ΔV_th，sub2＝V′_th，sub2-V_th，sub2

接下来，分别计算两次不同衬底偏置条件下晶体管M1的阈值电压偏移值之差ΔV_th，sub1-ΔV_th，sub2以及晶体管M1耗尽层最大宽度之差X_dm1-X_dm2。

然后，根据所述有效薄层电荷密度与上述耗尽层最大宽度之差成反比，并且所述有效薄层电荷密度与上述阈值电压偏移值之差成正比，获取STI层中所述有效薄层电荷密度N_t。在具体实施例中，N_t可通过下式予以获得：

N_{t} = \frac{C_{ox} W}{2 q} * \frac{Δ V_{th, sub 1} - Δ V_{th, sub 2}}{χ_{dm 1} - χ_{dm 2}}

其中，C_ox为栅氧化层单位电容且

q为电子电量，W为晶体管M1的沟道宽度。

由于介电常数ε与电子电量q为定值，也就是说，所述有效薄层电荷密度N_t除了与所述耗尽层最大宽度之差成X_dm1-X_dm2反比，以及与所述阈值电压偏移值之差ΔV_th，sub1-ΔV_th，sub2成正比之外，还与沟道宽度成正比以及与栅氧化层厚度t_ox成反比。

在具体实施例中，将本发明有效薄层电荷密度获取方法应用于180纳米的CMOS工艺中，其中，分别采用了具有不同宽长比的n-MOSFET，例如宽长比为10纳米/10纳米、10纳米/0.18纳米、10纳米/0.5纳米、0.22纳米/10纳米；具有设定度数范围的倾角以及设定厚度的STI层，例如倾角为60-90度以及厚度为150-500纳米，特别地，可采用87度倾角及390纳米厚度的STI层；不同的衬底偏置条件，例如V_BS为0V，或V_BS为-0.9V，或V_BS为-1.8V；以及各种条件下的辐射情况。发明人将通过本发明有效薄层电荷密度获取方法所获得的有效薄层电荷密度与通过传统方法中所获得的估算值进行比较，实践表明，采用本发明所获得的有效薄层电荷密度准确性高，并且更为简捷高效，能够在保证准确性的同时，大大的简化估算的复杂程度，并提高计算效率。

本领域技术人员应能理解，在上述各实施方式中，所用于测试的不同窄沟道晶体管和STI层的工艺参数、所施加的衬底偏置条件、辐射条件、阈值电压测量方法等步骤的具体实现和步骤并不对本发明有效薄层电荷密度获取方法的发明构思造成限制，上述各工艺步骤中可采用但并不限于现有的常规工艺参数、原料及设备。

相较于现有技术，本发明有效薄层电荷密度获取方法通过将由于离子辐射所产生的阈值电压偏移值根据其不同成因进行区分，并有效地利用了具有不同衬底偏置条件的晶体管的阈值电压偏移值之间的差值，对由于辐射所产生的STI氧化层中的有效薄层电荷密度进行估算，避免了传统方法中繁复的估计过程，不仅大大简化了计算复杂程度，并且能够准确有效地获取所需要的值，从而提高了器件可靠性评估的精确度。

此外，本发明仅需要对一个窄沟道晶体管进行测量和计算，避免了不同晶体管之间的差异所带来的误差，简化了估算难度，增加了准确性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种有效薄层电荷密度获取方法，其特征在于，包括：

使所述晶体管承受相同的辐射，并在不同的衬底偏置条件下，分别测量每一次在辐射前后的阈值电压值；

获取所述晶体管在辐射前后的阈值电压偏移值；

根据所述阈值电压偏移值之差以及其对应的衬底偏置条件，获取沿STI侧墙的有效薄层电荷密度。

2.如权利要求1所述的有效薄层电荷密度获取方法，其特征在于，所述施加不同的衬底偏置条件包括使得所述晶体管具有不同的耗尽层最大宽度。

3.如权利要求2所述的有效薄层电荷密度获取方法，其特征在于，所述施加不同的衬底偏置条件包括施加不同的基源电压。

4.如权利要求2所述的有效薄层电荷密度获取方法，其特征在于，所述根据阈值电压偏移值之差以及其对应的衬底偏置条件，获取沿STI侧墙的有效薄层电荷密度包括：所述有效薄层电荷密度与所述晶体管的不同耗尽层最大宽度的差值成反比，并且所述有效薄层电荷密度与所述晶体管的阈值电压偏移值之差成正比。

5.如权利要求4所述的有效薄层电荷密度获取方法，其特征在于，所述有效薄层电荷密度为栅氧化层单位电容、所述晶体管的阈值电压偏移值之差和沟道宽度的乘积与电子电量和耗尽层最大宽度之差的乘积的两倍的比值。