CN102549734B - 在线表征 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装置，所述装置包括：热隔离的待测器件，第一和第二电压被顺序施加到该热隔离的待测器件；局部加热元件，用于在分别顺序施加所述第一和第二电压期间基本同时地将第一和第二温度传递给所述待测器件；以及温度感测单元，用于测量所述待测器件的温度。

Description

在线表征
背景技术
本申请要求在2009年9月21日向美国专利商标局提交的标题为“IN-LINE CHARACTERIZATION(在线表征)”的美国专利申请12/563,437的优先权，该申请的全部内容在此引入作为参考。
本发明的各方面涉及使用温度曲线(temperature profiling)实现在线表征。
可靠的在线表征在新技术开发和产品制造中正变得日益关键。这种情况的至少一个原因是某些可靠性退化机理对于要采用的制造工艺的选择以及对于在工艺中使用的材料相对敏感。这些可靠性退化机理的实例包括导致偏压温度不稳定性(BTI)的退化机理并且该退化机理在至少高级集成电路(IC)技术中是主要的可靠性问题。
但是，由于处于测试条件下的器件倾向在某个点(例如测试开始时，其中不再施加应力)之后相对迅速地从所施加的应力恢复(即，快速恢复)，因此一般不可能执行准确的在线BTI测试。器件迅速恢复的倾向是在提高的应力温度处特别要考虑的问题。在这些情况下，p-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)中的负偏压温度不稳定性(NBTI)通常包括两种退化机理，它们例如包括沟道(Si)与栅极电介质(例如SiO2)之间的界面态产生。界面态产生是降低器件和电路性能的热激发的过程。
已观察到，由于界面态产生导致的NBTI偏移在消除应力偏压之后的器件测试期间迅速恢复。需要专门的高速仪器以便在恢复发生之前捕获实际退化。一般在生产环境中使用此类仪器是不现实的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种装置，包括：热隔离的待测器件，第一和第二电压被顺序施加到该热隔离的待测器件；局部加热元件，用于在分别顺序施加所述第一和第二电压期间基本同时地将第一和第二温度传递给所述待测器件；以及温度感测单元，用于测量所述待测器件的温度。
根据本发明的一个方面，提供了一种装置，包括：热隔离的待测器件，第一和第二电压被顺序施加到该热隔离的待测器件；局部加热元件，用于独立于顺序地施加所述第一和第二电压而将第一和第二温度传递给所述待测器件；以及传感器，用于测量所述待测器件的特性。
根据本发明的一个方面，提供了一种执行待测器件的在线测试的方法，所述方法包括：将所述待测器件进行热隔离；在所述待测器件被热隔离之后，将第一和第二电压施加到所述待测器件；以及在所述电压的施加期间，独立于所述电压的施加而将第一和第二温度传递给所述待测器件。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被视为本发明的主题。从下面结合附图的详细说明，本发明的上述和其他方面、特征以及优点是显而易见的，这些附图是：
图1是根据本发明的一个实施例的测试方法的示意图；
图2是根据本发明的另一实施例的测试方法的示意图；
图3是根据本发明的另一实施例的测试方法的示意图；
图4是根据本发明的另一实施例的测试方法的示意图；
图5是根据本发明的另一实施例的测试方法的示意图；
图6A和6B是待测器件的结构的示意性图示；
图7是示出执行图6A和6B的结构的在线测试的方法的流程图；
图8是待测器件的结构的示意性图示；以及
图9是示出执行图8的结构的在线测试的方法的流程图。
具体实施方式
待测器件(DUT)的应力条件与测试条件之间的快速温度切换加速了应力条件下要在线监视的DUT的退化机理，然后在测试条件下“冻结”或停止退化以避免恢复。由此可在提高的温度处对DUT执行偏压温度不稳定性(BTI)应力测试以加速偏移，同时可以在较低的温度处执行后续的测试以在出现显著恢复之前捕获实际的BTI引起的偏移。实现此操作的方法和结构允许在在线测试期间进行方便快速的温度更改，以便实施温度相关的器件特性的总体表征。
一般而言，作为一个实例，DUT的在线BTI机理测试涉及将DUT所在的卡盘(chuck)的卡盘温度增加到应力条件并在该应力条件下保持卡盘温度。卡盘温度通常约为85℃或更高以便加速DTU退化。在卡盘温度稳定之后(通常需要约30分钟)，将DUT在应力点偏压一段时间，通常约为10秒或更长时间。偏压可以指将应力电压施加于DUT。在应力时间之后，电压降低并在测试点达到稳定，然后才获取第一测试数据。这可在约1秒内完成。
要执行的一组测试可以包括每个节点处在各种偏压条件下的若干漏电流-栅极电压曲线，并且完整的测试序列通常需要花费数秒以上以便完全表征器件参数中BTI引入的偏移。在任何情况下，卡盘温度都保持在提高的应力温度处，即使在测试序列期间也是如此。因此，结果仅代表恢复后的器件的结果并且不反映DUT的实际退化。在一个实例中，测试仅延迟一秒便会导致约50％的恢复。
参考图1，其中提供了一种新的测试方法。在此，卡盘温度维持在大约室温或更低，同时通过与DUT接近或相邻的嵌入式片上局部加热元件获得提高的应力温度。该局部加热器可以由诸如掺杂多晶硅条、扩散电阻器或后段制程(BEOL)TaN电阻器之类的电阻元件形成，该局部加热器可提供超过100℃的局部加热。局部加热度可以取决于施加到局部加热元件的功率，可通过调节提供的功率调整局部加热度，以便针对各种应力和测试条件获得宽广的温度范围。使用局部加热器达到指定温度所需的时间在毫秒(msec)的量级。这样，由于可以在断开局部加热器的电源之后基本上立即去除局部加热，因此，可以同时以相对较高的时间和温度分辨率执行应力条件之后的在线测试条件。这还允许在松弛之前获得精确的结果。
具体如图1所示，局部加热器将DUT加热到局部应力温度T局部_应力，同时在应力条件时将电压V应力施加到DUT。在开始测试条件时，断开局部加热器的电源并且局部温度立即返回卡盘温度T局部_测试，同时所施加的电压降为V测试，此时，DUT的退化测量始于例如测量通过DUT的漏电流的变化ΔId。
由于局部温度控制可以独立于电压/电流偏压，因此可以执行多种温度/偏压应力和测试条件。例如，图2示出应力过程开始之前，在所添加的新器件上执行相对较低的温度T0的测试的另一应力/测试序列。在图2的序列中，执行与图1中的方法类似的方法，只是该方法之前包括局部温度为T卡盘以及所施加的电压为V测试的T0时刻的初始条件。
如图3所示，另一序列可被表征为相对较高温度的AC应力条件，后跟低温度测试条件。在另一情况下，如图4所示，序列被表征为在相对较低温度处的具有电阻变化ΔR的中间表征的热循环应力条件。在又一种情况下，序列被表征为温度相关的器件特性的总体在线器件表征，如图5所示，其中测量DUT的取决于温度的驱动电流Ion(T)。
参考图6A和6B，示出了实施在线测试方法的结构60或装置。在结构60中，DUT 61(即，器件A)被诸如扩散电阻器之类的局部加热器62或某些其他适当的器件环绕，并被隔热体63所围绕以提高加热效率。隔热体63可以例如是浅槽隔离STI、围绕DUT 61限定的气隙和/或在绝缘体上硅SOI技术中位于DUT 61下面的埋氧层(BOX)。可以在局部加热器62内的DUT 61附近或邻近处添加诸如电阻器、金属线、二极管或某种其他适当器件之类的温度感测单元64以监视感兴趣区域内的温度。可以由外部测试设备通过探测与DUT 612相连的垫(pad)来确定DUT 61的其他特性(如漏电流的变化、电阻的变化或驱动电流的变化)。如图6B所示，探测单元67靠近DUT 61布置以连接到外部测试设备以执行对DUT 61的测试。
如图7所示，使用图6A和6B的结构执行在线测试的方法可以包括在操作700设置卡盘温度T。接下来，将变量N设为1(操作710)，通过局部加热器62调节局部温度(操作720)以及通过温度感测单元64检查局部温度(操作730)。如果判定局部温度不在预定参数中(操作740)，则控制通过第一回路741返回到操作720。另一方面，如果在操作740判定局部温度在预定参数内，则针对第N个应力测试，将偏压施加于DUT 61(操作750)。然后在时间T(N)测量诸如漏电流、电阻和驱动电流之类的器件参数(操作760)。然后将变量N设为N+1(操作770)并且控制沿回路771返回到操作710。
参考图8，为了在表征温度相关的器件特性时进一步增加在线测试的灵敏度，可以在加热区域以外添加在整个测量期间保持在卡盘温度的基准DUT 65(即，器件B)。来自DUT 61的测试节点(如MOSFET的漏极、电阻器的阳极等)和来自基准DUT 65的测试节点被馈入差分放大器66以确定DUT 61与基准DUT 65之间的差别。因此，可以相对于基准DUT 65以相对提高的精确度表征温度相关的器件特性。如图6A所示，基准DUT 65可以包括在隔热体63内并用于相对于DUT 61的那些测量进行比较测量而无需差分放大器66的帮助。
如图9所示，使用图8的结构执行在线测试的方法可以包括在操作900设置卡盘温度T。接下来，将变量N设为1(操作910)，通过局部加热器62调节局部温度(操作920)以及通过温度感测单元64检查局部温度(操作930)。如果判定局部温度不在预定参数内(操作940)，则控制通过第一回路941返回到操作920。另一方面，如果在操作940判定局部温度在预定参数内，则针对第N个应力测试，对DUT 61和基准DUT 65施加偏压(操作950)。然后在时间T(N)测量诸如漏电流、电阻和驱动电流之类的DUT 61和基准DUT 65的器件参数(操作760)并比较这些测量(操作965)。然后将变量N设为N+1(操作970)并且控制沿回路971返回到操作910。
尽管参考示例性实施例描述了本公开，但是本领域的技术人员将理解，可以做出各种更改以及使用等同物替代本公开的元素而不偏离本发明的范围。此外，可以做出许多修改以使特定情况或材料适合本公开的教导而不偏离本公开的基本范围。因此，本公开并非旨在被限于所披露的作为实现本公开而构想的最佳模式的特定示例性实施例，相反，本公开将包括所有落入所附权利要求的范围之内的实施例。

Claims (13)

1.一种执行待测器件的在线测试的装置，包括：
热隔离的待测器件，第一和第二电压被顺序施加到该热隔离的待测器件；
局部加热元件，用于在分别顺序施加所述第一和第二电压期间同时地将第一和第二温度传递给所述待测器件；
温度感测单元，用于测量所述待测器件的温度；
围绕所述待测器件并为所述待测器件提供隔热的隔热沟槽；以及
布置在所述隔热沟槽的外部的基准器件，
其中所述待测器件和所述基准器件并联地与差分放大器相连。
2.如权利要求1中所述的装置，其中所述隔热沟槽包括氧化硅。
3.如权利要求1中所述的装置，其中所述隔热沟槽包括气隙。
4.如权利要求1中所述的装置，其中所述局部加热元件包括电阻元件。
5.如权利要求1中所述的装置，其中所述温度感测单元包括二极管元件。
6.如权利要求1中所述的装置，其中所述温度感测单元包括电阻元件。
7.如权利要求1中所述的装置，其中在初始时间施加所述第一电压，在应力时间施加所述第二电压以及在测试时间施加所述第一电压，以及
其中在所述初始时间传递所述第一温度，在所述应力时间传递所述第二温度以及在所述测试时间传递第三温度。
8.如权利要求1中所述的装置，其中在初始时间施加所述第一电压，然后在应力/测试时间期间顺序施加第二和第一电压，以及
其中在初始和应力/测试时间期间传递所述第二温度以及与最后一次施加所述第一电压同时地传递所述第一温度。
9.如权利要求1中所述的装置，其中间歇地施加所述第一电压，以及
其中在施加所述第一电压时传递所述第一温度以及在未施加任何电压时传递所述第二温度。
10.如权利要求1中所述的装置，其中连续地施加所述第一电压，以及
其中在初始时间传递所述第一温度，在温度逐渐增加之后在测试时间期间传递所述第二温度，以及此后立即传递所述第一温度。
11.一种执行待测器件的在线测试的装置，包括：
热隔离的待测器件，第一和第二电压被顺序施加到该热隔离的待测器件；
局部加热元件，用于独立于顺序地施加所述第一和第二电压而将第一和第二温度传递给所述待测器件；
传感器，用于测量所述待测器件的特性；
围绕所述待测器件并为所述待测器件提供隔热的隔热沟槽；以及
布置在所述隔热沟槽的外部的基准器件，
其中所述待测器件和所述基准器件并联地与差分放大器相连。
12.如权利要求11中所述的装置，其中特性包括所述待测器件的漏电流、电阻和驱动电流中的至少一个。
13.一种执行待测器件的在线测试的方法，所述方法包括：
将所述待测器件进行热隔离；
在所述待测器件被热隔离之后，将第一和第二电压施加到所述待测器件；以及
在所述电压的施加期间，独立于所述电压的施加而将第一和第二温度传递给所述待测器件；
测量所述待测器件的特性；
测量基准器件的特性；
将测量所述待测器件的结果与测量所述基准器件的特性的结果相比较；以及
放大测量所述待测器件的特性的结果与测量所述基准器件的特性的结果之间的差。
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