CN102680875B - 从soi pmosfet中分离两种可靠性效应导致阈值电压漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种从SOI PMOSFET中分离两种可靠性效应导致阈值电压漂移的方法，用于在SOI PMOSFET器件的栅端和漏端加上应力偏置条件下分离出HCI效应与NBTI效应对器件的阈值电压漂移大小，其特征是，分别在SOI PMOSFET器件的栅端和漏端加上电压，测出其阈值电压漂移量；然后用该阈值电压漂移量减去在相同栅电压下测出的阈值电压漂移量，即可分离出HCI效应与NBTI效应这两种可靠性效应对SOI PMOSFET器件的阈值电压漂移量的不同影响。分离出两种可靠性效应对阈值电压的漂移量大小，能够更好地理解器件在最坏应力偏置条件下的退化机理，以致提出更好的可靠性退化加固方法，同时还能更好地对SOI PMOSFET器件进行建模以及提出更加精确的可靠性寿命预测方法。

Description

从SOI PMOSFET中分离两种可靠性效应导致阈值电压漂移的方法

技术领域

本发明涉及半导体可靠性研究领域，由于SOI PMOSFET器件的在栅端和漏端加上一定应力条件后产生的自热效应(SHE)会同时诱发热载流子效应(HCI)和负偏压热不稳定效应(NBTI)可靠性问题，这两种可靠性效应会导致器件阈值电压发生漂移，本发明主要涉及针对SOI PMOSFET器件提出一种分离两种可靠性效应导致阈值电压漂移的方法。

背景技术

随着VLSI技术的飞速发展，硅集成电路工艺已进入以深亚微米乃至超深亚微米特征尺寸为主的产品生产阶段。制造工艺的技术进步极大地提高了VLSI质量和性能，同时大大降低了单个芯片的工艺成本，推动了集成电路产品的普及，带来新的电子信息革命。然而，在器件等比例缩小的同时，工作电压并不能达到相同比例的缩小，所以各种可靠性问题也逐渐变得日趋严重，其中主要包括热载流子效应(HCI)、负偏压热不稳定(NBTI)以及氧化层随时间的击穿(TDDB)等。

SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)MOSFET器件是指在绝缘衬底上形成一层单晶硅薄膜，或是单晶硅薄膜被绝缘层从支撑的硅衬底中分开而形成的材料结构。与传统体硅MOS器件相比，SOI MOSFET器件具有电隔离性能好，寄生电容小，易形成浅结，可以避免闩锁效应，抗辐射能力强等优势。然而，由于SOI MOSFET器件隐埋氧化层的热导率较差，使得器件沟道区晶格温度上升，从而导致器件开态漏端电流下降。

当在SOI PMOSFET器件上施加HCI应力偏置时，需要在器件的栅端和漏端同时加上高于标准工作电压的应力偏置，会导致器件的阈值电压漂移以及最大跨导值的退化。同时，由于SOI PMOSFET器件隐埋氧化层的热导率较差，在HCI应力条件下会导致沟道温度急剧升高，同时在栅端电压的垂直电场作用下发生NBTI效应，导致更大的阈值电压漂移，以致器件性能退化。于是，分离两种可靠性效应对阈值电压漂移大小的影响有助于更好的器件建模与对器件可靠性寿命的预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SOI PMOSFET器件中在栅端和漏端加上应力偏置下分离出HCI效应与NBTI效应分别对器件阈值电压漂移大小的方法。

本方法的上述目的是通过如下的技术方案实现：

一种从SOI PMOSFET中分离两种可靠性效应导致阈值电压漂移的方法，用于在SOIPMOSFET器件的栅端和漏端加上应力偏置条件下分离出HCI效应与NBTI效应对器件的阈值电压偏移大小，其特征是，分别在SOI PMOSFET器件的栅端和漏端加上电压，测出其阈值电压漂移量，此时同时存在HCI效应与NBTI效应；然后用该阈值电压漂移量减去在相同栅电压下测出的阈值电压偏移量，此时只存在NBTI效应，即可分离出HCI效应与NBTI效应这两种可靠性效应对SOI PMOSFET器件的阈值电压漂移量的不同影响；计算公式如下：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{INC}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{TEST}}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{INC}}$ (公式1)

其中，

为本征的HCI效应造成的阈值电压漂移量，

为测试出HCI效应造成的阈值电压漂移量，

为单独的NBTI效应造成的阈值电压漂移量。

该方法中的SOI PMOSFET器件单独的NBTI效应导致的阈值电压漂移量

可以通过测试过程中阈值电压恢复现象提取出，阈值电压恢复现象如图1所示，恢复的阈值电压值为

具体机理分析与

获取方法如下：

在SOI PMOSFET器件NBTI效应过程中，去掉栅端应力后因NBTI效应导致的阈值电压漂移量会有一定的恢复，这是因为被陷阱俘获的空穴在失去垂直电场后有一定的概率脱离陷阱，界面处的悬挂键与H⁺离子发生钝化作用，减少了对阈值电压的影响。阈值电压的恢复量与本征的NBTI效应造成阈值电压漂移量之间有一定的比率关系，如公式2所示。

$R={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{REC}}/{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{TEST}\_\mathrm{INC}}$ (公式2)

其中，R为比率系数，ΔV_{TH_REC}为恢复的阈值电压量，

为SOI PMOSFET器件测试出的单独NBTI效应导致的阈值电压漂移量。

得到比例系数R后，如图2，得到SOI PMOSFET器件在栅端和漏端应力偏置条件后的阈值电压恢复量，通过比例系数R可以得到

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{INC}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{REC}}^{\′}/R$

其中，ΔV′_{TH_REC}为测试出的SOI PMOSFET器件在HCI应力下阈值电压恢复量。

最后，可以得到 ${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{INC}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{TEST}}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{REC}}^{\′}/R,$ 如图2所示。

其中，为SOI PMOSFET器件本征的HCI效应造成的阈值电压漂移量，

为SOI PMOSFET器件测试出HCI效应造成的阈值电压漂移量。

上述的比率系数R可以通过计算SOI PMOSFET器件单独的NBTI效应后发生的恢复现象导致的阈值电压漂移量得到，NBTI效应为只在栅端加上应力电压。

分离出两种可靠性效应对阈值电压的漂移量大小，能够更好地理解器件在最坏应力偏置条件下的退化机理，以致提出更好的可靠性退化加固方法，同时还能更好地对SOI PMOSFET器件进行建模以及提出更加精确的可靠性寿命预测方法。

附图说明

图1NBTI恢复现象

图2分离HCI与NBTI效应对阈值电压影响的漂移量

具体实施方式

下面用实施案例对本发明作进一步阐释。

实施例选取的SOI PMOSFET为0.18um工艺器件，具体的实施步骤如下：

首先进行单独的NBTI实验，在该尺寸下的SOI器件的栅端加上2.6V应力电压，经过2000s后去掉应力电压，发现去掉NBTI后阈值电压的恢复与实际测出的NBTI造成的阈值电压漂移量之间的比率系数R为0.5左右，即：

$R={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{REC}}/{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{TEST}\_\mathrm{INC}}\≈0.5$

其中，ΔV_{TH_REC}为恢复的阈值电压量，

为测试出的本征NBTI效应导致的阈值电压漂移量。

然后施加在该尺寸下的SOI器件的栅端和漏端同时加上2.6V应力电压(即为施加HCI应力)，经过2000s后去掉两端的应力电压，发现去掉HCI应力后阈值电压的漂移有一定的恢复，根据公式 ${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{INC}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{TEST}}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{INC}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{TEST}}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{REC}}^{\′}/R$ 可以分离出单独的HCI效应与NBTI效应分别对阈值电压漂移量所造成的影响值，最后算出来两者所占的比例分别为76％和24％。

其中，

为本征的HCI效应造成的阈值电压漂移量，

为测试出HCI效应造成的阈值电压漂移量，

为本征的NBTI效应造成的阈值电压漂移量，ΔV′_{TH_REC}为测试出的在HCI应力下阈值电压恢复量。

Claims (2)

1.一种从SOI PMOSFET中分离两种可靠性效应导致阈值电压漂移的方法，用于在SOIPMOSFET器件的栅端和漏端加上应力偏置条件下分离出HCI效应与NBTI效应对器件的阈值电压漂移大小，其特征是，分别在SOI PMOSFET器件的栅端和漏端加上电压，测出其阈值电压漂移量，此时同时存在HCI效应与NBTI效应；然后用该阈值电压漂移量减去在相同栅电压下测出的阈值电压漂移量，此时只存在NBTI效应，即可分离出HCI效应与NBTI效应这两种可靠性效应对SOI PMOSFET器件的阈值电压漂移量的不同影响；计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{INC}}=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{TEST}}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{INC}}$   （公式1）

其中，

为本征的HCI效应造成的阈值电压漂移量，为测试出HCI效应造成的阈值电压漂移量，为单独的NBTI效应造成的阈值电压漂移量；

SOI PMOSFET器件单独的NBTI效应导致的阈值电压漂移量

通过测试过程中阈值电压恢复现象提取出；

所述SOI PMOSFET器件单独的NBTI效应导致的阈值电压漂移量

的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{INC}}=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{REC}}^{\′}/R$

$R=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{REC}}/\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{TEST}\_\mathrm{INC}}$

其中，△V′_{TH_REC}为测试出的SOI PMOSFET器件在HCI应力下阈值电压恢复量，R为比率系数，△V_{TH_REC}为恢复的阈值电压量，

为测试出的SOI PMOSFET器件在单独NBTI效应导致的阈值电压漂移量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的比率系数R通过计算SOI PMOSFET器件在单独的NBTI效应后发生的恢复现象导致的阈值电压漂移量得到，所述NBTI效应为只在栅端加上应力电压。

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