CN102621473B - 一种实时监控nbti效应界面态产生的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法，属于半导体器件可靠性测试领域。该方法将NBT应力偏置中栅端的直流电压信号源变为脉冲信号源，在不同时间NBT应力后，采用电荷泵法测得衬底电流，即时监控因NBTI效应所导致界面态电荷的增加。本发明测试方法相对于常用的监控界面态电荷变化的测试方法更具有实时性，减少NBTI退化的恢复量，从而更能有效地评估NBTI效应对器件特性的影响。

Description

一种实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法
技术领域
本发明涉及半导体器件可靠性测试领域，具体是PMOS器件的NBTI效应会在器件界面处产生界面态度电荷，该方法能够实时的监控界面态产生的变化。
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致纳米量级。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(HCI)、负偏压热不稳定效应(NBTI)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，能够准确地而即时地测量界面态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(Charge Pumping)。
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Vth，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Vfb，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Icp。由于Icp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Icp上。其中公式1反映了他们之间的关系
N it ‾ = I cp q × Area × f     (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。
直流NBTI效应偏置条件为在栅端接一直流应力电压，其余各端(源端、源端和衬底)均接地，同时施加高温。而在电荷泵测试过程中，栅端接一脉冲信号，其余各端(源端、源端和衬底)均接地。然而在一般的半导体测试仪中，直流信号和脉冲信号产生模块不同，在施加NBT(Negative Bias Temperature)应力后需要更换信号源模块才能进行电荷泵电流测量，因此会造成一定的NBTI退化恢复，导致NBTI退化机理分析不准。
发明内容
本发明的目的在于利用电荷泵测试法提供一种实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法。
本发明将施加NBT应力过程和电荷泵测试过程统一到一个测试模块中，减少NBTI退化的恢复。本发明PMOS器件的源端、漏端和衬底均接地，将栅端的直流电压信号源变为脉冲信号源，即：
Vstress1＝Vstress2-ΔVg    (公式2)
其中|ΔVg|＜＜|Vstress1|≈|Vstress2|，Vstress1和Vstress2分别为栅端脉冲低电平和高电平。
本发明提供的实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法，如图2所示，在施加NBT应力过程中，在NBT应力阶段，栅端脉冲电压以一定的频率f在高电平和低电平间来回波动，其中频率f需要足够大，一般大于1MHz。
在电荷泵法测试阶段，本发明采用固定低电平法，即栅端脉冲信号的低电压保持不变，不断改变高电压值。低电压值固定在Vstress1处，当高电压大于P型MOS器件的平带电压Vfb时，从衬底收集的电荷泵电流Icp达到饱和，通过公式算出在NBT应力下产生的界面态电荷密度，其中为平均界面态密度，Icp是衬底电流，q是基本电荷量，Area是栅面积，f是脉冲频率，从而即时监控因NBTI效应所导致界面态电荷变化。
本发明在不同时间NBT应力后，采用电荷泵法测得衬底电流便可即时监控因NBTI效应所导致界面态电荷的增加。这种测试方法相对于常用的监控界面态电荷变化的测试方法更具有实时性，减少NBTI退化的恢复量，从而更能有效地评估NBTI效应对器件特性的影响。
附图说明
图1电荷泵测试法原理图；
图2实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法的过程图；
图3界面态电荷密度随应力时间变化图。
具体实施方式
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
在辅助发明的实施例中，测试的PMOS管宽(W)和长(L)分别为5um和0.18um。NBTI应力偏置为栅端脉冲电压高电压为-2.55V、低电压为-2.65V，频率为2MHz，其余各端(源端、漏端和衬底)均接地。同时电荷泵测试采用固定低电平法，低电平电压为-2.55V，而最大的高电平电压为1V。在施加NBT应力过程中，分别在t＝10s，20s，50s，100s，200s，500s，1000s，2000s，4000s，6000s时中断NBT应力，快速采用电荷泵测试法监控从器件衬底收集的电荷泵电流Icp，然后利用公式1可以得到在应力时间t后所产生界面态电荷。测试得到界面态电荷密度随应力时间变化图如图3所示。
从图3可以看到，随着应力时间的增加因NBTI效应导致界面态电荷密度增大，在一定时间后趋于饱和，典型的NBTI退化结果相同。

Claims (4)

1.一种实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法，针对PMOS器件的NBT应力偏置，其特征在于，PMOS器件的源端、漏端和衬底均接地，栅端的直流电压信号源变为脉冲信号源，即：Vstress1＝Vstress2-ΔVg，其中|ΔVg|＜＜|Vstress1|≈|Vstress2|，Vstress1和Vstress2分别为栅端脉冲低电平和高电平，在NBT应力阶段，栅端脉冲电压以一定的频率f在高电平和低电平间来回波动，中断NBT应力，在电荷泵法测试阶段，栅端脉冲信号的低电压保持不变，不断改变高电压值，通过公式算出在NBT应力下产生的界面态电荷密度，其中为平均界面态密度，Icp是衬底电流，q是基本电荷量，Area是栅面积，f是脉冲频率，从而即时监控因NBTI效应所导致界面态电荷变化。
2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在施加NBT应力阶段，频率f大于1MHz。
3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在施加NBT应力过程中，分别在t＝10s，20s，50s，100s，200s，500s，1000s，2000s，4000s，6000s时中断NBT应力。
4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，电荷泵法测试阶段，栅端脉冲信号的高电压大于P型MOS器件的平带电压。
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