CN103852700B - 一种ldmos器件热载流子注入效应的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种LDMOS器件的热载流子效应的测试方法，该测试方法通过对应力条件下获得的器件寿命，利用寿命模型反推出各个工作条件下LDMOS器件的工作寿命，可以得出包括整个工作区间下的HCI的SOA。在本发明中由于不需要对所有工作电压进行寿命测试，大大缩短了整个测试过程的时间。并且利用VB编写的Excel宏程序，可以实现自动抓取数据和计算，大大降低了操作的人力成本。

Description

一种LDMOS器件热载流子注入效应的测试方法

技术领域

本发明涉及MOS器件可靠性研究领域，尤其涉及一种用于LDMOS的热载流子注入效应的测试方法。

背景技术

在显示驱动和电源管理的产品中，我们需要能够耐高压和通过大电流等特性的高压器件；LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体器件）由于更容易和CMOS工艺兼容，被广泛采用；其栅电极的工作电压很低，一般只有5V，而漏端电压很高可以到60V。影响LDMOS的参数有源漏击穿电压（BVDS），导通电阻（Rds_ON）等；如果在持续工作情况下这些参数较快退化，可能引起芯片温度升高的影响；所以在使用过程中的这些参数的退化情况更加受到关注。

MOS的安全工作区是指为保障器件安全工作，具有较高的稳定性和较长的寿命，器件所承受的电流、电压和功耗有一定限制，采用坐标平面表示，并构成器件的安全工作区。其种类分为：正偏SOA（SafeOperationArea，安全工作区）与反偏SOA、直流SOA与脉冲SOA，以及正常工作SOA与短路SOA；其中MOS的HCI（HotCarrierInject，热载流子注入效应)SOA是指器件在正常DC工作条件下，由于热载流子注入造成的参数退化仍在安全工作范围的寿命对应的电压安全区间。

针对直流下LDMOS的线性漏电流（Idlin）的HCI退化，目前已有一些测试方法，一般会选择测试某一固定漏电压Vd下最大衬底电流值（Isubmax）对应的栅压Vg作为电压应力（stress）条件，得到这个电压下的HCI寿命；但这只是HCISOA二维曲线上的一个点。LDMOS工作情况下往往是脉冲方式，需要一个电压区间范围内的HCI评价；如果通过实际测试确定整个区间需要大量的测试和时间，不利于工艺开发周期和市场需求，而且测试成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种新的LDMOS器件的热载流子注入效应的测试方法，使得使热载流子注入效应下的工作寿命计算由一个电压条件增大到工作区间。

根据本发明的目的提出的LDMOS器件的热载流子注入效应的测试方法，包括步骤：

1）提供一LDMOS器件，已知该LDMOS器件的栅极工作电压（Vgop）和漏极击穿电压（Vsnapback）；

2）测量该LDMOS器件的漏极电流-漏极电压（Id-Vd）曲线，得到漏极最大工作电压（Vdop）；

3）以步骤2）中漏极最大工作电压（Vdop）为上限值，测量不同漏极电压下的漏极电流-栅极电压（Id-Vg）和衬底电流-栅极电压（Isub-Vg）曲线；

4）从步骤2）中的漏极电流-漏极电压（Id-Vd）曲线选取一个小于90%的击穿电压（Vsnapback）的值作为漏极电压应力条件（Vdstress），从步骤3）中的衬底电流-栅极电压（Isub-Vg）曲线选取最大衬底电流（Isubmax）对应的栅极电压作为栅极电压的应力条件（Vgstress）；

5）以步骤4）中的漏极电压应力条件和栅极电压的应力条件对所述LDMOS器件进行热载流子注入实验，获取应力热载流子注入寿命（TTFstress）；

6）以步骤1）至5）对若干个样品进行测试，根据该若干个样品的应力热载流子注入寿命（TTFstress）拟合出LDMOS器件的热载流子注入使用寿命TTFuse；

优选的，所述步骤2）中的测量条件为：漏极电压（Vd）从0到击穿电压（Vsnapback）范围内，以101个步长取点；栅极电压（Vg）从0到栅极工作电压（Vgop）范围内，以1V为一个步长取点。

优选的，所述步骤3）中的测量条件为：栅极电压（Vg）从0到栅极工作电压（Vgop）范围内，以101个步长取点；漏极电压（Vd）从0到漏极最大工作电压（Vdop）范围内，以1V为一个步长取点。

优选的，所述步骤5）中热载流子注入实验具体包括：

5.1）以所述步骤4）中漏极电压应力条件和栅极电压的应力条件对LDMOS器件的栅极和漏极加电压；

5.2）步骤5.1）持续一变化时间后，改变LDMOS器件的工作模式，使LDMOS器件工作在线性区，测量并记录此时的漏极线性电流（Idlin）；

5.3）重复步骤5.1）和5.2），直至LDMOS的漏极线性电流Idlin衰减一预设值，将此时LDMOS器件持续的时间记录为热载流子注入寿命（TTFstress）

5.4）使步骤5.2）中LDMOS器件线性区栅极电压从0到栅极工作电压（Vgop）之间以100个步长进行变换，并重复步骤5.3），得到一组不同栅极电压下的热载流子注入寿命（TTFstress）样本。

优选的，所述步骤5.2）中的变化时间为：以10的指数次方为间隔，单位为秒。

优选的，所述步骤5.2）中，LDMOS器件在线性区工作时，漏极电压Vd为0.1V。

优选的，所述步骤5.3）中，漏极线性电流Idlin衰减到的预设值为10%-20%。

优选的，所述步骤5.2）和5.3）中的，各项数据的处理通过VB软件编写Excel下的宏抓取以逗号分隔值格式的原始数据文本文件。

优选的，所述步骤6）中，样品个数为8-20。

优选的，所述步骤6）中，LDMOS器件的使用寿命TTFuse的拟合方法包括：

6.1）根据步骤3）中的漏极电流-栅极电压（Id-Vg）和衬底电流-栅极电压（Isub-Vg）曲线，得到栅极电压处于栅极工作电压Vgop下的漏极工作电流Ido和衬底工作电流Ibo，以及栅极电压处于栅极电压的应力条件（Vgstress）下的漏极应力电流Idstress和衬底应力电流Ibstress；

6.2）将步骤5）中的应力热载流子注入寿命（TTFstress），以及步骤6.1）中的漏极工作电流Ido、衬底工作电流Ibo、漏极应力电流Idstress、衬底应力电流Ibstress通过寿命模型拟合出LDMOS器件的热载流子注入使用寿命TTFuse。

优选的，进一步包括步骤，将获得的热载流子注入使用寿命TTFuse按栅极电压和漏极电压为X轴和Y轴，画出使用寿命的二维曲线图。

通过本发明的应用，可以得到如下的优点：

第一：本发明通过对应力条件下获得的器件寿命，利用寿命模型反推出各个工作条件下LDMOS器件的工作寿命，可以得出包括整个工作区间下的HCI的SOA。

第二：由于不需要对所有工作电压进行寿命测试，大大缩短了整个测试过程的时间。

第三：本发明利用VB编写的Excel宏程序，可以实现自动抓取数据和计算，大大降低了操作的人力成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的LDMOS器件的热载流子注入效应的测试方法流程图；

图2是一种实施例下的Id-Vd曲线示意图；

图3是又一种实施方式下Isub-Vg曲线示意图；

图4是又一种实施方式下的LDMOS器件热载流子注入效应下的使用寿命二维曲线图。

具体实施方式

本发明针对现有的LDMOS器件产品，在做HCI（HotCarrierInject，热载流子注入效应)的SOA（SafeOperationArea，安全工作区）测试时，只能取一个电压点作为应力条件，无法涉及所有的工作电压这个问题，提出了一种简单的能够覆盖全部工作区间内的电压点的测试方法。下面，将对本发明的技术方案做详细介绍。

请参见图1，图1是本发明的LDMOS器件的热载流子注入效应的测试方法流程图。如图所示，该测试方法包括步骤：

S1：提供一LDMOS器件，用来进行HCI的测试。测试前，需要已知该LDMOS器件的栅极工作电压（Vgop）和漏极击穿电压（Vsnapback），并对该LDMOS器件做测试准备，即把LDMOS器件的漏极、源极、栅极和衬底分别接到不同的测试电极上，用来对上述各端进行电压电流的输入输出检测。这里的栅极工作电压Vgop指LDMOS器件产品在使用时，正常加载在栅极上的电压，通常，该栅极工作电压Vgop在3V-7V之间。而漏极击穿电压Vsnapback则是指器件工作在饱和区和击穿区的临界工作电压，通常在8V-65V之间。

S2：测量该LDMOS器件的漏极电流-漏极电压（Id-Vd）曲线，得到漏极最大工作电压（Vdop）。具体测量时，在漏极施加一个扫描电压，使得漏极电压（Vd）从0到击穿电压（Vsnapback）范围内进行扫描，并以101个步长取点，即取101个漏极电压，并测量每个漏极电压对应的漏极电流，绘制成Id-Vd曲线；而栅极电压（Vg）则从0到栅极工作电压（Vgop）范围内，以1V为一个步长取点。以栅极工作电压Vgop=5V、漏极击穿电压Vsnapback=8V为例，则分别取栅极电压Vg=1V，2V，3V，4V，5V这几个点，并在这几个栅极电压点上，分别绘制出Id-Vd曲线，参见图2。

S3：以步骤S2中漏极最大工作电压（Vdop）为上限值，测量不同漏极电压下的漏极电流-栅极电压（Id-Vg）和衬底电流-栅极电压（Isub-Vg）曲线，测量时，栅极电压（Vg）从0到栅极工作电压（Vgop）范围内，以101个步长取点；漏极电压（Vd）从0到漏极最大工作电压（Vdop）范围内，以1V为一个步长取点。分别绘制出Id-Vg曲线和Isub-Vg曲线，如图3所示，图3给出了Vgop为5V时的Isub-Vg曲线。

S4：从步骤S2中的漏极电流-漏极电压（Id-Vd）曲线选取一个小于90%的击穿电压（Vsnapback）的值作为漏极电压应力条件（Vdstress），比如Vsnapback=10V，则Vdstress可以取小于9V的一个值。从步骤S3中的衬底电流-栅极电压（Isub-Vg）曲线选取最大衬底电流（Isubmax）对应的栅极电压作为栅极电压的应力条件（Vgstress），比如图3中的Isubmax=5×10^-5A，对应的栅极电压1.7V即为Vgstress。

S5：以步骤S4中的2个应力条件对所述LDMOS器件进行热载流子注入实验，获取应力热载流子注入寿命（TTFstress）。具体操作时，包括如下几个步骤：

S51：首先以步骤S4中两个应力条件对LDMOS器件的栅极和漏极加电压；

S52：然后，利用上述两个应力条件让器件持续工作一变化时间后，改变LDMOS器件的工作模式，使LDMOS器件工作在线性区，测量并记录此时的漏极线性电流（Idlin）；这里的时间变化量以10的指数次方为间隔，单位为秒，比如10秒后、100秒后、1000秒后……当然，也可以设置为其他的变化形式。在每个时间变化点上，量取漏极线型电流Idlin。LDMOS器件线性区的漏极电压Vd=0.1V。

S53：重复上述两个步骤，直至LDMOS的漏极线性电流Idlin衰减一预设值，将此时LDMOS器件持续的时间记录为热载流子注入寿命（TTFstress）。这里的预设值是指经过一定时间变化之后，测量得到的漏极线性电流Idlin会存在一个缩减，当缩减到一定量时，认为此时LDMOS器件的热载流子注入寿命TTFstress已经获得，停止在该应力测试条件下的热载流子子注入的应力测试。一般的，这个衰减量可以根据实际需要而定，较佳地，将该预设值选择衰减为10%-20%时。

S54：使步骤S52中LDMOS器件线性区栅极电压从0到栅极工作电压（Vgop）之间以100个步长进行变换，并重复步骤S53，得到一组不同栅极电压下的热载流子注入寿命（TTFstress）样本。

这里需要注意的是，由于测试过程中每个时间点Vg扫描101个点，在应力测试过程中监控的时间点在15到20个以上，会有超过1500个数据要处理。靠手动处理比较繁琐而起容易出错，本发明对上述各项数据的处理通过VB软件编写Excel下的宏抓取以逗号分隔值格式的原始数据文本文件（.csv）。该VB编写的抓取宏如下：

利用该抓取程序，可以实现数据的自动记录和处理，避免的大量的人工时间。

S6：以步骤S1至S5对若干个样品进行测试，根据该若干个样品的应力热载流子注入寿命（TTFstress）拟合出LDMOS器件的热载流子注入使用寿命TTFuse。该步骤中，样品的数量通常可以为8至20个，太少的话容易引起数据失真，而太多的话，又会使测试时间过长。具体测量时，包括步骤：

S61：根据步骤S3中的漏极电流-栅极电压（Id-Vg）和衬底电流-栅极电压（Isub-Vg）曲线，得到栅极电压处于栅极工作电压Vgop下的漏极工作电流Ido和衬底工作电流Ibo，以及栅极电压处于栅极电压的应力条件（Vgstress）下的漏极应力电流Idstress和衬底应力电流Ibstress；

S62：将步骤S5中的应力热载流子注入寿命（TTFstress），以及步骤S61中的漏极工作电流Ido、衬底工作电流Ibo、漏极应力电流Idstress、衬底应力电流Ibstress通过寿命模型拟合出LDMOS器件的热载流子注入使用寿命TTFuse。

这里的Ido、Ibo是一组随着加载在栅极和漏极上的工作电压不同而不同的数组矩阵，比如已知一组Vgop和Vdop，可以根据曲线找到对应的Ido、Ibo。如此，在整个工作区间内的电压，都能找到对应的工作电流。

利用上述分析得到的Ido、Ibo，和漏极应力电流Idstress、衬底应力电流Ibstress，以及热载流子注入寿命（TTFstress），代入寿命模型：

TTFstress×Idstress=HW*(Ibstress/Idstress)^-M（1）

TTFuse×Ido=HW*(Ibo/Ido)^-M（2）

（1）式和（2）式中的HW为器件的参数，M根据经验通常取值为3，将（1）式和（2）式等比一下，即可获得热载流子注入使用寿命TTFuse。

根据每组Ibo、Ido，既能获得全部区间内的TTFuse。

最后，可以将TTFuse按栅极电压和漏极电压为X轴和Y轴，画出使用寿命的二维曲线图，如图4所示，图4是以栅极电压Vg从0到5V，漏极电压Vd从0到42V为例作出的一个LDMOS器件热载流子注入效应下的使用寿命二维曲线图。图中的Isubmax点表示的是现有技术中只以一个电压值作为应力条件下获得的使用寿命，而本发明则是将整条二维曲线都能测量出来。

综上所述，本发明提出了一种LDMOS器件的热载流子效应的测试方法，该测试方法通过对应力条件下获得的器件寿命，利用寿命模型反推出各个工作条件下LDMOS器件的工作寿命，可以得出包括整个工作区间下的HCI的SOA。在本发明中由于不需要对所有工作电压进行寿命测试，大大缩短了整个测试过程的时间。并且利用VB编写的Excel宏程序，可以实现自动抓取数据和计算，大大降低了操作的人力成本。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种LDMOS器件的热载流子注入效应测试方法，其特征在于，包括步骤：

1)提供一LDMOS器件，已知该LDMOS器件的栅极工作电压和漏极击穿电压；

2)测量该LDMOS器件的漏极电流-漏极电压曲线，得到漏极最大工作电压；

3)以步骤2)中漏极最大工作电压为上限值，测量不同漏极电压下的漏极电流-栅极电压和衬底电流-栅极电压曲线；

4)从步骤2)中的漏极电流-漏极电压曲线选取一个小于90％的击穿电压的值作为漏极电压应力条件，从步骤3)中的衬底电流-栅极电压曲线选取最大衬底电流对应的栅极电压作为栅极电压的应力条件；

5)以步骤4)中的漏极电压应力条件和栅极电压的应力条件对所述LDMOS器件进行热载流子注入实验，获取应力热载流子注入寿命；

所述热载流子注入实验具体包括：

5.1)以所述步骤4)中漏极电压应力条件和栅极电压的应力条件对LDMOS器件的栅极和漏极加电压；

5.2)步骤5.1)持续一变化时间后，改变LDMOS器件的工作模式，使LDMOS器件工作在线性区，测量并记录此时的漏极线性电流；

5.3)重复步骤5.1)和5.2)，直至LDMOS的漏极线性电流衰减一预设值，将此时LDMOS器件持续的时间记录为热载流子注入寿命；

5.4)使步骤5.2)中LDMOS器件线性区栅极电压从0到栅极工作电压之间以100个步长进行变换，并重复步骤5.3)，得到一组不同栅极电压下的热载流子注入寿命样本；

6)以步骤1)至5)对若干个样品进行测试，根据该若干个样品的应力热载流子注入寿命拟合出LDMOS器件的热载流子注入使用寿命。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤2)中的测量条件为：漏极电压从0到击穿电压范围内，以101个步长取点；栅极电压从0到栅极工作电压范围内，以1V为一个步长取点。

3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤3)中的测量条件为：栅极电压从0到栅极工作电压范围内，以101个步长取点；漏极电压从0到漏极最大工作电压范围内，以1V为一个步长取点。

4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤5.2)中的变化时间为：以10的指数次方为间隔，单位为秒。

5.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤5.2)中，LDMOS器件在线性区工作时，漏极电压Vd为0.1V。

6.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤5.3)中，漏极线性电流衰减的预设值为10％-20％。

7.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤5.2)至5.4)中的，各项数据的处理通过VB软件编写Excel下的宏抓取以逗号分隔值格式的原始数据文本文件。

8.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤6)中，样品个数为8-20。

9.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述步骤6)中，LDMOS器件的使用寿命的拟合方法包括：

6.1)根据步骤3)中的漏极电流-栅极电压和衬底电流-栅极电压曲线，得到栅极电压处于栅极工作电压下的漏极工作电流和衬底工作电流，以及栅极电压处于栅极电压的应力条件下的漏极应力电流和衬底应力电流；

6.2)将步骤5)中的应力热载流子注入寿命，以及步骤6.1)中的漏极工作电流、衬底工作电流、漏极应力电流、衬底应力电流通过寿命模型拟合出LDMOS器件的热载流子注入使用寿命。

10.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于：进一步包括步骤，将获得的热载流子注入使用寿命按漏极电压和栅极电压为X轴和Y轴，画出使用寿命的二维曲线图。