CN102435817B - MOS晶体管的栅极电压-1/f噪声曲线测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种MOS晶体管的栅极电压-1/f噪声曲线测量方法，包括：提供待检测的MOS晶体管；测量在指定栅极电压区间内的MOS晶体管栅极电压-漏极电流的变化曲线；将所述栅极电压区间划分成至少2个分区间，比较分区间的漏极电流的变化趋势，在各个分区间内选取多个栅极电压值，且漏极电流的变化趋势大的分区间内选取的栅极电压值数量大于漏极电流的变化趋势小的分区间内选取的栅极电压值数量；测量选取的栅极电压值对应的1/f噪声，根据获得的1/f噪声获得在对应栅极电压区间的栅极电压-1/f噪声曲线。通过测量不同栅极电压下漏极电流的变化趋势，并根据漏极电流的变化趋势选取若干栅极电压，可减少测量1/f噪声次数，减少测试时间。
Description
技术领域
本发明涉及半导体测试技术，特别涉及一种MOS晶体管的栅极电压-1/f噪声曲线测量方法。
背景技术
在一个稳定工作的直流电路系统中，流经某一个节点的电流理论上是恒定的，不随时间的变化而变化。用电流-时间图来表示就是一条直线，如图1的虚线所示。但是，由于各种原因，实际测量的电流并不是恒定的，而是如图1中的实线所示，是一个围绕理论电流值上下波动的曲线。实际电流值就是理论值加上噪声电流，所述噪声电流可正可负。
类似的，流过金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOS晶体管)的电流也会产生噪声，其成分可以分为三类，分别是1/f噪声，散粒噪声和热噪声，其中在低频或直流时，MOS晶体管的噪声主要为1/f噪声。且随着MOS晶体管器件特征尺寸的缩小，1/f噪声会大大增加。1/f噪声主要是由于在MOS晶体管的栅极氧化层和沟道的交界面处存在很多的电荷陷阱，沟道中的载流子在流动的过程中，会不断地有载流子被陷阱俘获或脱离陷阱，造成漏极电流波动，在回路中产生噪声电流。通过测量在不同电压条件下的1/f噪声，可有效地检测出MOS晶体管的栅极氧化层和沟道的交界面处电荷缺陷的数量。因此，MOS晶体管的1/f噪声变化曲线作为一种有效的器件可靠性评价工具，在半导体器件的质量和可靠性评价中得到了广泛的应用。
在现有技术中，通常测量MOS晶体管的1/f噪声变化曲线的方法为使用低频频谱分析仪对MOS晶体管的1/f噪声进行测量。但这种测量方法测量过程需要专门的数据转换软件和参数提取软件，测量过程较为复杂，总的耗时过长。因此，亟需找到一种能快速有效的测量MOS晶体管的1/f噪声变化曲线的方法，从而便于评价器件可靠性。
更多关于器件噪声的测量方法和测量装置请参考公开号为US2006/0187109A1的美国专利文献。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种MOS晶体管的栅极电压-1/f噪声曲线测量方法，可快速有效的测量出MOS晶体管在不同栅极电压条件下的1/f噪声，从而便于评价MOS晶体管的器件可靠性。
为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种MOS晶体管的栅极电压-1/f噪声曲线测量方法，包括：
提供待检测的MOS晶体管；
测量在指定栅极电压区间内的MOS晶体管栅极电压-漏极电流的变化曲线；
将所述栅极电压区间划分成至少2个分区间，比较分区间的漏极电流的变化趋势，在各个分区间内选取多个栅极电压值，且漏极电流的变化趋势大的分区间内选取的栅极电压值数量大于漏极电流的变化趋势小的分区间内选取的栅极电压值数量；
测量选取的栅极电压值对应的1/f噪声，根据获得的1/f噪声获得在对应栅极电压区间的栅极电压-1/f噪声曲线。
可选的，测量所述MOS晶体管的1/f噪声的具体方法包括：利用测试探针在MOS晶体管上施加源漏电压、栅极电压；测量MOS晶体管的漏极电流信号；分析所述漏极电流信号，获得所述MOS晶体管的1/f噪声。
可选的，所述源漏电压为直流电压。
可选的，还包括：利用所述栅极电压-1/f噪声的变化曲线判断MOS晶体管栅极氧化层和沟槽之间的电荷陷阱数量。
可选的，所述待检测的MOS晶体管的栅极电压-漏极电流的变化曲线通过测量若干个栅极电压条件下的漏极电流获得。
可选的，所述待检测的MOS晶体管的栅极电压-漏极电流的变化曲线通过使用器件模型进行模拟仿真计算获得。
可选的，在测试MOS晶体管的漏极电流和1/f噪声时，所述MOS晶体管的源极和衬底接地或加偏压。
可选的，所述待检测的MOS晶体管位于未封装的晶圆上。
可选的，所述待检测的MOS晶体管位于封装器件中。
可选的，测量所述MOS晶体管的1/f噪声采用的测试装置具备电磁噪声屏蔽能力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
在本发明实施例中，由于发明人发现不同栅极电压下漏极电流的变化趋势和不同栅极电压下1/f噪声的变化趋势大致相同，通过先获得指定栅极电压区间内的MOS晶体管栅极电压-漏极电流的变化曲线，来判断对应栅极电压区间内栅极电压-1/f噪声的变化趋势，并根据对应栅极电压区间栅极电压-1/f噪声的变化趋势选取能表现MOS晶体管的1/f噪声的变化趋势的几个栅极电压进行测量获得1/f噪声，并根据获得的1/f噪声获得在对应栅极电压区间的栅极电压-1/f噪声曲线。相对于现有1/f噪声测量技术减少了测试时间，且测试结果能够全面高精度地描述器件噪声性能。
附图说明
图1为直流电路中理论电流值和实际电流值的对比图；
图2为本发明实施例的MOS晶体管的栅极电压-1/f噪声曲线测量方法的流程示意图；
图3至图5为不同源漏电压下栅极电压-漏极电流-1/f噪声的测量结果图。
具体实施方式
由于现有技术中通过对MOS晶体管的1/f噪声进行检测从而获知MOS晶体管的器件可靠性时，为了从整体上了解MOS晶体管的器件可靠性，需要获得MOS晶体管的1/f噪声变化曲线，了解不同电压条件对MOS晶体管的1/f噪声的影响的趋势，从而了解不同电压条件下MOS晶体管的器件可靠性变化。通常，由于我们不能预知不同电压条件对MOS晶体管的1/f噪声的影响的趋势，因此我们只能通过测量等间隔的多个不同电压条件下MOS晶体管的1/f噪声，利用测得的多个不同电压条件下MOS晶体管的1/f噪声获得MOS晶体管的1/f噪声变化曲线，从而判断不同电压条件下所述MOS晶体管的器件可靠性变化。为了能得到较精确的MOS晶体管的1/f噪声变化曲线，通常需要测量至少10组以上的1/f噪声。当需要测试十个不同电压条件下MOS晶体管的1/f噪声时，由于测试每一组1/f噪声所需的时间至少为半个小时，测试十组至少需要5个小时，这会极大的浪费时间。
为了解决所述问题，本发明实施例的发明人经过大量实验，发现了一个规律，即在MOS晶体管中，不同栅极电压下漏极电流的变化趋势和不同栅极电压下漏极电流噪声的变化趋势大致相同。在不同栅极电压下，当所述漏极电流变化较快时，所述漏极电流噪声也变化较快，当所述漏极电流变化较慢时，所述漏极电流噪声也变化较慢，从而最终形成的栅极电压-漏极电流的变化曲线与最终形成的栅极电压-漏极电流噪声的变化曲线的形状大致相同。由于测试不同栅极电压下MOS晶体管的漏极电流非常容易，可以轻易获得不同栅极电压对应的漏极电流并形成的栅极电压-漏极电流的变化曲线，并以此为依据选取能表现MOS晶体管的1/f噪声的变化趋势的几个栅极电压，与现有技术相比，减少了1/f噪声的测试次数，从而减少了测量时间，且测试结果能够全面高精度地描述器件噪声性能。
在本发明实施例中，由于施加在源漏极两端的电压为直流电压，因此所述漏极电流噪声主要为1/f噪声，在后续的表述中，用1/f噪声代替漏极电流噪声。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明实施例首先提供了一种MOS晶体管的1/f噪声测量方法，请参考图2，为本发明实施例的MOS晶体管的1/f噪声测量方法的流程示意图，具体包括：
步骤S101，提供待检测的MOS晶体管；
步骤S102，测量在指定栅极电压区间内的MOS晶体管栅极电压-漏极电流的变化曲线；
步骤S103，将所述栅极电压区间划分成至少2个分区间，比较分区间的漏极电流的变化趋势，在各个分区间内选取多个栅极电压值，且漏极电流的变化趋势大的分区间内选取的栅极电压值数量大于漏极电流的变化趋势小的分区间内选取的栅极电压值数量；
步骤S104，测量选取的栅极电压值对应的1/f噪声，根据获得的1/f噪声获得在对应栅极电压区间的栅极电压-1/f噪声曲线。
执行步骤S101，提供待检测的MOS晶体管。
不同的MOS晶体管在形成过程中由于工艺参数、工艺环境的不同，MOS晶体管的栅氧化层和沟道的交界面处存在的电荷陷阱的数量也各不相同，不同的MOS晶体管会有不同的1/f噪声。当所述1/f噪声较大时，说明栅氧化层和沟道的交界面处的电荷陷阱的数量较多，MOS晶体管的器件可靠性较差，因此，非常有必要对利用半导体制造技术形成的MOS晶体管进行1/f噪声测试，进而分析器件的可靠性。在本发明实施例中，所述MOS晶体管位于晶圆上，未进行封装，在测试时，将形成有MOS晶体管的晶圆放入测试装置的承载台上，直接将测试探针与源/漏极、栅极、衬底电接触，利用测试探针对MOS晶体管施加直流电压并检测漏极电流信号。在其他实施例中，所述MOS晶体管位于封装器件中，利用测试探针通过封装器件的测试引脚对MOS晶体管施加直流电压并检测漏极电流信号。其中，所述测试装置具有电磁噪声屏蔽能力，当MOS晶体管进行测量时，所述测试装置内部的MOS晶体管不会受到外界噪声的影响。
执行步骤S102，测量在指定栅极电压区间内的MOS晶体管栅极电压-漏极电流的变化曲线。
在本实施例中，当所述形成有MOS晶体管的晶圆放入到测量装置的承载台上后，将测试探针与源/漏极、栅极、衬底进行电连接。所述MOS晶体管的源极和衬底接地。在其他实施例中，所述源极和衬底也可以施加非零的偏压。
当所述漏极和栅极被施加电压后，源漏极之间产生漏极电流，通过测试探针测量对应栅极电压下的漏极电流。通过测量若干个栅极电压条件下的漏极电流，从而可以绘制出栅极电压-漏极电流的变化曲线。由于测量一组栅极电压下的漏极电流所需的时间很短，只需要将测试端头施加在MOS晶体管的源/漏极的两端，对所述源/漏极施加源漏电压，就可获得栅极电压对应的漏极电流，然后不断改变栅极电压，从而测量出不同栅极电压对应的漏极电流。由于发明人多次实验发现的实验结果和理论指出，在低频或直流时，不同栅极电压下漏极电流的变化趋势和不同栅极电压下1/f噪声的变化趋势大致相同，即在相同的栅极电压区间内，漏极电流的变化曲线和1/f噪声的变化曲线大致相同。因此，需要根据1/f噪声的变化曲线的栅极电压区间来确定漏极电流的变化曲线的栅极电压区间，并在所述栅极电压区间内选取若干等间距的栅极电压来测试对应的漏极电流，并获得栅极电压-漏极电流的变化曲线。所述1/f噪声的变化曲线的栅极电压区间根据具体的器件类型、测试需求来指定。通常的，至少测量6个等间距的栅极电压的漏极电流，从而画出一条较为完整、精准的栅极电压-漏极电流的变化曲线。
在其他实施例中，所述待检测的MOS晶体管的栅极电压-漏极电流的变化曲线通过使用器件模型进行模拟仿真计算获得。
执行步骤S103，将所述栅极电压区间划分成至少2个分区间，比较分区间的漏极电流的变化趋势，在各个分区间内选取多个栅极电压值，且漏极电流的变化趋势大的分区间内选取的栅极电压值数量大于漏极电流的变化趋势小的分区间内选取的栅极电压值数量。
由于不同栅极电压下漏极电流的变化趋势和对应的栅极电压下1/f噪声的变化趋势大致相同。不同栅极电压下，当所述漏极电流变化较快时，所述1/f噪声也变化较快，当所述漏极电流变化较慢时，所述1/f噪声也变化较慢，从而最终形成的栅极电压-漏极电流的变化曲线与最终形成的栅极电压-1/f噪声的变化曲线的形状大致相同。因此，可以根据所述栅极电压-漏极电流的变化曲线选取能表现MOS晶体管的1/f噪声的变化趋势的几个栅极电压，并测量所述几个栅极电压下MOS晶体管的1/f噪声，从而得到栅极电压-1/f噪声的变化曲线。
当获得指定栅极电压区间内的栅极电压-漏极电流的变化曲线后，将对应的栅极电压区间等大小划分成至少2个分区间，比较所述分区间的漏极电流的变化趋势，按各分区间内漏极电流的变化速率的大小进行排列，在各个分区间内选取多个栅极电压值，具有不同漏极电流的变化速率的分区间选取的栅极电压值不同，其中，对漏极电流的变化速率较快的分区间多选取几个栅极电压值，对漏极电流的变化速率较慢的分区间少选取几个栅极电压值。
请参考图3，在图3所示的实施例中，所述栅极电压区间为0.8V～5.0V，将所述栅极电压区间等大小划分成2个分区间，其中第一分区间为0.8V～2.9V，第二分区间为2.9V～5.0V。由于第一分区间内栅极电压-漏极电流的变化曲线的平均斜率较大，对应的，漏极电流的变化速率也较快，而第二分区间内栅极电压-漏极电流的变化曲线的平均斜率较小，对应的，漏极电流的变化速率也较慢，因此，在第一分区内取三个栅极电压(0.8V、1.0V、2.9V)，在第二分区内取两个栅极电压(2.9V、5.0V，其中2.9V为两个分区的边界)。
由于利用本发明实施例的测量方法只需测量M个栅极电压下的漏极电流噪声(M通常小于等于5，由器件的直流特性决定)，其中在漏极电流变化速率较快时可适当选取较多个栅极电压用于测量，在漏极电流变化速率较慢时适当选取较少个栅极电压用于测量，这样既能节省时间又能较精准得到MOS晶体管的1/f噪声的变化趋势。而在现有技术中，由于未测量MOS晶体管的1/f噪声之前不了解待检测的MOS晶体管的1/f噪声的变化趋势，因此通常我们需要等间距地选取N个栅极电压来测量MOS晶体管的1/f噪声(由于现在没有成熟的可用于测量1/f噪声的模型，N通常大于等于10，才能得到较为精准的1/f噪声变化曲线，而现有技术中测量漏极电流的模型已较为成熟，通常测量6个栅极电压下对应的漏极电流即可得到较为精准的漏极电流的变化曲线)，同时，在测试器件的1/f噪声前就确定了测试的电压条件，避免了当前技术中，可能会因为数据不全而需要补充测试的情况。利用本发明实施例的测量方法与现有技术相比可减少测试时间，且最后测得的MOS晶体管的1/f噪声的变化趋势的精准度与现有技术相当，最后也能检测出不同电压条件下MOS晶体管的器件可靠性变化。
执行步骤S104，测量选取的栅极电压值对应的1/f噪声，根据获得的1/f噪声获得在对应栅极电压区间的栅极电压-1/f噪声曲线。
在本实施例中，根据选取的栅极电压值测量对应栅极电压值的1/f噪声，并将所述测量得到的1/f噪声进行直线连接，形成在对应栅极电压区间的栅极电压-1/f噪声曲线。由于1/f噪声主要是由于在MOS晶体管的栅极氧化层和沟道的交界面处存在很多的电荷陷阱，沟道中的载流子在流动的过程中，会不断地有载流子被陷阱俘获和脱离陷阱，造成漏极电流波动，在回路中产生噪声电流，影响MOS晶体管的器件可靠性。其中，当所述电荷陷阱较多时，对应MOS晶体管的1/f噪声较大，因此，利用不同MOS晶体管的栅极电压-1/f噪声的变化曲线可以判断MOS晶体管栅极氧化层和沟槽之间的电荷陷阱数量，从而判断MOS晶体管的器件可靠性。
请参考图3，为源漏电压为1.5V的栅极电压-漏极电流-1/f噪声的测量结果图。横坐标为栅极电压，左边的纵坐标为漏极电流，右边的纵坐标为1/f噪声。其中，实线表示漏极电流随栅极电压的变化曲线，三角形表示在选取的几个栅极电压下的1/f噪声，虚线表示1/f噪声随栅极电压的变化曲线。本实施例中，所述栅极电压区间为0.8V～5.0V，将所述栅极电压区间等大小划分成2个分区间，其中第一分区间为0.8V～2.9V，第二分区间为2.9V～5.0V。从图中可清晰地看到，漏极电流随栅极电压的变化曲线和1/f噪声随栅极电压的变化曲线非常相识，利用漏极电流随栅极电压的变化曲线可以了解到当栅极电压的变化范围为0.8V～2.9V时，漏极电流的变化速率较快，在该范围内选取较多个栅极电压用于测量，而当栅极电压的变化范围为2.9V～5.0V，漏极电流的变化速率较慢，在该范围内选取较少个栅极电压用于测量。本实施例选取的栅极电压值为0.8V、1.0V、2.9V、5V四个栅极电压，并对所述四个栅极电压下的1/f噪声进行测量，从而获得栅极电压-1/f噪声的变化曲线，从而可以判断出MOS晶体管在不同的栅极电压下器件可靠性的变化情况。
请参考图4，为源漏电压为2.5V的栅极电压-漏极电流-1/f噪声的测量结果图。请参考图5，为源漏电压为5.0V的栅极电压-漏极电流-1/f噪声的测量结果图。在以上两个实施例中，所述栅极电压区间为0.8V～5.0V，将所述栅极电压区间等大小划分成2个分区间，其中第一分区间为0.8V～2.9V，第二分区间为2.9V～5.0V。从图4、图5中也可清晰地看到，漏极电流随栅极电压的变化曲线和1/f噪声随栅极电压的变化曲线非常相识，利用漏极电流随栅极电压的变化曲线可以了解到当栅极电压的变化范围为0.8V～2.9V时，漏极电流的变化较快，在该范围内选取较多个栅极电压用于测量，而当栅极电压的变化范围为2.9V～5.0V，漏极电流的变化较慢，在该范围内选取较少个栅极电压用于测量。因此，本实施例中，选取电压值为0.8V、1.0V、2.9V、5V四个栅极电压，并对所述四个栅极电压下的1/f噪声进行测量，获得1/f噪声随栅极电压的变化曲线，从而可以判断出当源漏电压为2.5V或5.0V时，MOS晶体管在不同的栅极电压下器件可靠性的变化情况。
在本发明实施例中，发明人发现不同栅极电压下漏极电流的变化趋势和不同栅极电压下1/f噪声的变化趋势大致相同，通过先获得指定栅极电压区间内的MOS晶体管栅极电压-漏极电流的变化曲线，来判断对应栅极电压区间内栅极电压-1/f噪声的变化趋势，并根据对应栅极电压区间栅极电压-1/f噪声的变化趋势选取能表现MOS晶体管的1/f噪声的变化趋势的几个栅极电压进行测量获得1/f噪声，并根据获得的1/f噪声获得在对应栅极电压区间的栅极电压-1/f噪声曲线。相对于现有1/f噪声测量技术减少了测试时间，且测试结果能够全面高精度地描述器件噪声性能。
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 (8)
1.一种MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，包括：
提供待检测的MOS晶体管；
测量在指定栅极电压区间内的MOS晶体管栅极电压 -漏极电流的变化曲线；
将所述栅极电压区间划分成至少2个分区间，比较分区间的漏极电流的变化趋势，在各个分区间内选取多个栅极电压值，且漏极电流的变化趋势大的分区间内选取的栅极电压值数量大于漏极电流的变化趋势小的分区间内选取的栅极电压值数量；
测量选取的栅极电压值对应的1/f噪声，根据获得的1/f噪声获得在对应栅极电压区间的栅极电压 -1/f噪声曲线；
测量所述MOS晶体管的1/f噪声的具体方法包括：利用测试探针在MOS晶体管上施加源漏电压、栅极电压；测量MOS晶体管的漏极电流信号；分析所述漏极电流信号，获得所述MOS晶体管的1/f噪声。
2.如权利要求1所述的MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，所述源漏电压为直流电压。
3.如权利要求1所述的MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，所述待检测的MOS晶体管的栅极电压 -漏极电流的变化曲线通过测量若干个栅极电压条件下的漏极电流获得。
4.如权利要求1所述的MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，所述待检测的MOS晶体管的栅极电压 -漏极电流的变化曲线通过使用器件模型进行模拟仿真计算获得。
5.如权利要求1所述的MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，在测试MOS晶体管的漏极电流和1/f噪声时，所述MOS晶体管的源极和衬底接地或加偏压。
6.如权利要求1所述的MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，所述待检测的MOS晶体管位于未封装的晶圆上。
7.如权利要求1所述的MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，所述待检测的MOS晶体管位于封装器件中。
8.如权利要求1所述的MOS晶体管的栅极电压 -1/f噪声曲线测量方法，其特征在于，测量所述MOS晶体管的1/f噪声采用的测试装置具备电磁噪声屏蔽能力。
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Owner name: SHANGHAI HUAHONG GRACE SEMICONDUCTOR MANUFACTURING Free format text: FORMER OWNER: HONGLI SEMICONDUCTOR MANUFACTURE CO LTD, SHANGHAI Effective date: 20140403 |
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