CN103278759A - 分离soi器件中两种效应导致阈值电压漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离HCI直流应力下SOI器件阈值电压漂移量的方法，属于半导体可靠性测试领域。该方法在SOI PMOSFET栅端和漏端同时加应力偏置下将HCI直流应力下HCI效应与NBTI效应对阈值电压漂移量影响分离，分别得到HCI效应和NBTI效应对应的阈值电压漂移量。采用本发明可以有助于更好的理解在V_G＝V_D应力下HCI效应的退化机制，从而更好的对器件建模并更精确的预测器件的寿命。

Description

分离SOI器件中两种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测试领域，主要针对SOI PMOSFET提出一种分别测出HCI与NBTI两种效应导致的阈值电压漂移的方法。

背景技术

从集成电路的发展来说，高性能和高可靠性是其发展的两个制高点。集成电路技术一方面朝着更大集成度和更高性价比的方向发展；另一方面，来自技术和市场的驱动要求可靠性不断提高，VLSI的可靠性研究日益受到人们的关注。集成电路的可靠性受到器件发展的不断影响，随着集成电路技术的不断进步，器件的特征尺寸不断减小和氧化层不断减薄，这就导致了器件内部电场和电流密度的不断增加，器件特性对缺陷的敏感度增加，使得诸多可靠性问题如热载流子效应(HCI)、负偏置不稳定性(NBTI)、栅氧经时击穿(TDDB)、电迁移(EM)等更加突出。

SOI是英文silicon on Insulator的缩写，指的是绝缘层上的硅。SOI CMOS器件具有功耗低、抗干扰能力强、集成密度高、速度高、工艺简单、抗辐射能力强，并彻底消除了体硅CMOS器件的寄生闩锁效应等优点。但是，由于SOI隐埋氧化层的低热导率，SOI器件存在自热效应，因此SOI器件可靠性研究比体硅复杂的多。

器件进入深亚微米阶段后，SOI器件的最坏应力偏置条件为V_G＝V_D，此时器件性能退化最严重。当SOI PMOSFET加HCI直流应力V_G＝V_D＝V_stress时，由于其隐埋氧化层热导率较差，器件沟道温度升高，则在栅电压的垂直电场下会引发NBTI效应，两者共同引起器件阈值电压漂移，导致器件性能退化。因此分离出两种可靠性效应不仅有助于理解HCI直流应力下器件的退化机制，也有利于更精确的预测器件寿命。

发明内容

本发明在于提供一种在SOI PMOSFET栅端和漏端同时加应力偏置下分离出HCI效应与NBTI效应对阈值电压漂移影响的方法。

本方法的技术方案如下：

一种HCI直流应力下SOI器件中两种可靠性效应导致阈值电压漂移量的分离方法，具体方案流程如图1所示：

1)在SOI PMOS器件A的栅端和漏端施加HCI直流应力V_G＝V_D＝V_stress，V_S＝0测出阈值电压的漂移量

同时用栅电阻法提取出器件的自热温度ΔT_SH。

2)取与SOI PMOS器件A相同工艺及尺寸的SOI PMOS器件B加NBTI应力偏置V_G＝Vstress，V_D＝V_S＝0，应力温度T取器件A自热温度ΔT_SH，测出SOI PMOS器件B的阈值电压漂移量该阈值电压漂移量等于SOI PMOS器件A中HCI直流应力下NBTI效应所产生的阈值电压漂移量；

3)用SOI PMOS器件A测出的HCI直流应力下测出的阈值电压漂移量减去SOI PMOS器件B测出的NBTI阈值电压漂移量即可分离出HCI效应导致的阈值电压漂移量，计算公式4如下：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{pure}}=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{TSET}}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{pure}}---\left(4\right)$

其中，

为分离出的HCI效应导致的阈值电压漂移量，为HCI直流应力下测试出的阈值电压漂移量，

为NBTI效应造成的阈值电压的漂移量。

本发明在SOI PMOSFET栅端和漏端同时加应力偏置，将HCI直流应力下HCI效应与NBTI效应对阈值电压漂移量影响分离，分别得到HCI效应和NBTI效应对应的阈值电压漂移量。采用本发明有助于更好的理解在V_G＝V_D应力下HCI效应的退化机制，从而更好的对器件建模并更精确的预测器件的寿命。

附图说明

图1本发明技术方案流程示意图；

图2不同电压偏置下栅电阻随硅片温度的变化曲线；

图3提取自热温度与电压偏置的关系。

具体实施方式

下面通过具体的案例对本发明做进一步解释。

选取工艺为0.18μm的栅电极双引出PDSOI PMOSFET。

本发明采用栅电阻法提取SOI PMOSFET自热温度，假设栅电极温度等同于沟道温度。为防止多晶硅栅内在自热，栅电压选为V_G1＝V_G+ΔVV_G2＝V_G-ΔV，通过测量栅中流过的微小电流提取出栅电阻。公式1即为热阻与自热温度的关系。

ΔT_SH＝R_th×P_dispP_disp＝I_D×V_D   (1)

①ΔT_SH为器件自热温度，R_th为器件热阻，P_disp为器件功耗，I_D为器件漏端电流，V_D为器件工作电压首先测试V_G＝V_D＝0没有自热效应时电阻随硅片温度变化的关系，提取出栅电阻变化量随温度的变化系数α，如公式2所示。不同电压偏置下栅电阻随衬底温度的变化曲线，如图2所示。

$\mathrm{\α}=\frac{(\mathrm{Rg}\left(T_{\mathrm{high}}\right)-\mathrm{Rg}\left(T_{\mathrm{ref}}\right))/\mathrm{Rg}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)}{T_{\mathrm{high}}-T_{\mathrm{ref}}},(V_{\mathrm{GS}}=V_{\mathrm{DS}}=0)$

α为V_GS＝V_DS＝0时栅电阻变化量随温度的变化系数，Rg(T_high)为V_GS＝V_DS＝0时高硅片温度下器件栅电阻，Rg(T_ref)为V_GS＝V_DS＝0参照硅片温度下器件栅电阻，T_high为高硅片温度，T_ref为参照硅片温度

②选取器件A在室温下施加HCI直流应力V_G1＝-2.8V+20mV，V_G2＝-2.8V-20mV，V_D＝-2.8V，V_S＝0V经过t＝6000s应力后撤去应力电压，测得阈值电压漂移量

并且测量出器件栅电阻R_th＝331.6Ω。根据公式(3)得出自热温度ΔT_SH＝141℃，其中取参照硅片温度为室温，提取出的室温下自热温度与偏置电压的关系如图3所示。

$\left(\mathrm{SH}\right)=\frac{(\mathrm{Rth}-\mathrm{Rg}\left(T_{\mathrm{ref}}\right))/\mathrm{Rg}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)}{\mathrm{\α}}\left(3\right)$

ΔT(SH)为器件自热温度，Rth为HCI应力参照硅片温度下器件栅电阻，Rg(T_ref)为V_GS＝V_DS＝0时参照硅片温度下器件栅电阻，α为V_GS＝V_DS＝0时栅电阻变化量随温度的变化系数

③选取器件B施加NBTI应力V_G＝-2.8V，V_D＝V_S＝0V，T＝ΔT_SH＝141℃，经过t＝6000s应力后，去掉应力电压测量出阈值电压漂移量

该阈值电压漂移量约等于器件A中HCI直流应力下NBTI效应产生的阈值电压漂移量。

④利用以下公式分离出HCI直流应力下HCI效应所产生的阈值电压漂移量

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{pure}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{HCI}}^{\mathrm{TSET}}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{TH}\_\mathrm{NBTI}}^{\mathrm{pure}}$

其中，

为分离出的HCI效应导致的阈值电压漂移量，

为HCI直流应力下测试出的阈值电压漂移量，

为NBTI效应造成的阈值电压的漂移量。

上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (2)

1.一种HCI直流应力下SOI器件中两种可靠性效应导致阈值电压漂移量的分离方法，具体步骤为：

1)在SOI PMOS器件A的栅端和漏端施加HCI直流应力V_G＝V_D＝V_stress，V_S＝0测出阈值电压的漂移量量同时提取出器件的自热温度ΔT_SH；

2)取与SOI PMOS器件A相同工艺及尺寸的SOI PMOS器件B加NBTI应力偏置V_G＝Vstress，V_D＝V_S＝0，应力温度T取SOI PMOS器件A自热温度ΔT_SH，测出SOI PMOS器件B的阈值电压漂移量

该阈值电压漂移量等于SOI PMOS器件A中HCI直流应力下NBTI效应所产生的阈值电压漂移量；

3)通过

计算出SOI PMOS器件A中HCI效应导致的阈值电压漂移量

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用栅电阻法提取出SOI PMOS器件的自热温度ΔT_SH，具体步骤包括：

1)通过测量栅中流过的微小电流提取出栅电阻；

2)测试V_G＝V_D＝0没有自热效应时电阻随硅片温度变化的关系，提取出栅电阻变化量随温度的变化系数α；

3)器件施加HCI直流应力，测量出器件栅电阻，根据公式

得出自热温度ΔT_SH。

Images