CN104122493B - 一种评估半导体器件10年寿命对应的工作电压的方法 - Google Patents
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Abstract
一种评估半导体器件寿命的工作电压的方法，包括：求出某半导体器件在某工作电压VG下的失效几率；求出该半导体器件失效几率随VG的变化关系；根据同类的多个半导体器件失效几率随VG的变化关系，求出特征失效几率随VG的变化关系；取大于等于0且小于1的特征失效几率的工作电压VG即为满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD；根据目标要求的特征失效几率求出实际的满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD值的大小。本发明同时考虑了NBTI引入的动态涨落DDV和CCV的影响，而且不同VDD对半导体器件可靠性的影响程度也很好地评估出来。因此本发明提供了纳米尺度半导体器件几率性VDD有效的评估方法。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件可靠性领域，涉及到纳米尺度半导体器件10年寿命对应的的工作电压的评估方法。
背景技术
在半导体技术中，半导体器件10年寿命对应的工作电压VDD(本文中，VDD表示半导体器件10年寿命对应的工作电压)是一个重要的参数，决定着半导体器件的性能、功耗等技术指标。从另一方面来说，半导体器件在10年寿命中的可靠性问题，尤其是负偏置温度不稳定性NBTI(Negative Bias Temperature Instability)，会严重影响VDD的确定。在纳米尺度下，NBTI会引入器件可靠性退化的动态涨落，包括半导体器件与半导体器件之间的涨落(Device-to-device variation,DDV)以及半导体器件在不同工作循环之间的涨落(Cycle-to-cycle variation,CCV)。在DDV和CCV的影响下，VDD该如何评估，目前尚未有相关报道。
在传统大尺寸半导体器件中，VDD对于同一批工艺是一个确定值。而在纳米尺度下，由于CCV的影响，一个半导体器件在10年时性能的退化在失效判断标准附近出现很大的涨落，唯一的VDD定义不再适用，即存在无限多个VDD均可以满足该半导体器件10年的寿命要求。但是这无限多个VDD对半导体器件可靠性的影响程度不同，如何评估这种影响程度，目前也尚未有相关报道。另外，由于DDV的影响，不同半导体器件10年寿命时退化情况不同，导致10年寿命对应的VDD也不同。因此，在DDV和CCV的影响下，如何评估纳米尺度半导体器件10年寿命对应的工作电压VDD，是纳米尺度半导体技术发展的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于纳米尺度半导体器件10年寿命对应的VDD的评估方法。
本发明的技术方案如下：
一种评估半导体器件寿命的工作电压的方法，应用于纳米尺度的半导体器件，其特征是，包括如下步骤(如图5所示)：
第一步，将某一半导体器件在加速应力下的阈值电压的退化ΔVth等效地转化到某一个工 作电压VG下，在10年左右依次各取N个ΔVth值，求出这N对ΔVth值的分布，把这N对ΔVth大于失效判断标准的概率记作失效几率；
第二步，改变VG电压值，重复执行上一步的过程多次，可以求出该半导体器件在10年寿命时的失效几率随着VG的变化关系；
第三步，进而考虑DDV的影响，即把不同半导体器件的失效几率均考虑进来，在同类的多个半导体器件上重复执行上述过程，得到每一个半导体器件在10年寿命时的失效几率随VG的变化关系；
第四步，取不同半导体器件在相同VG下失效几率的均值，作为该VG下的特征失效几率，即可得到特征失效几率随VG的变化关系，对应大于等于0且小于1的特征失效几率的工作电压VG即为满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD；根据目标要求的特征失效几率求出实际的满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD值的大小。
优选的：
所述的评估半导体器件寿命的工作电压的方法，其特征是，第一步中，N为满足取出的ΔVth的相对标准方差等于所有应力时间下ΔVth的相对标准方差的最小个数。
所述的评估半导体器件寿命的工作电压的方法，其特征是，第一步中所述的失效判断标准为：ΔVth＝50mV。
所述的评估半导体器件寿命的工作电压的方法，其特征是，第三步中，同类的半导体器件至少选择30个。
在大尺寸半导体器件中，由于10年寿命只对应一个VDD，因此特征失效几率随VDD会出现0％到100％的突变。而对于一个纳米尺度半导体器件，考虑CCV的影响，失效几率随VDD呈现从0％到100％缓慢变大的趋势。考虑DDV的影响后，特征失效几率随VDD变化的更加缓慢。因此引入失效几率的概念后，纳米尺度半导体器件的VDD不再是一个定值，而是变成几率性的，每一个VDD对应一个特征失效几率。特征失效几率值的大小表征对应的VDD下，半导体器件在10年寿命时可靠性退化的程度。特征失效几率值越大，表示在该VDD下，半导体器件在10年寿命时可靠性退化的程度越大。这样，纳米尺度半导体器件VDD的不确定性可以很好地解决，本发明同时考虑了NBTI引入的动态涨落DDV和CCV的影响， 而且不同VDD对半导体器件可靠性的影响程度也很好地评估出来。因此本发明提供了纳米尺度半导体器件几率性VDD有效的评估方法。
附图说明
图1是四端半导体器件示意图。
图2是将ΔVth转换到任意VG后，提取该VG对应的失效几率的示意图
图3是单个大尺寸半导体器件和纳米尺度半导体器件失效几率比较的示意图。
图4为提取的多个大尺寸半导体器件和纳米尺度半导体器件下，特征失效几率随VG及VDD变化的示意图。
图5为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，详细描述本发明的预测方法，测试器件如图1所示。
第一步，如图2所示，将一个半导体器件在加速应力下的阈值电压退化ΔVth随时间的变化关系等效地转化到某一工作电压VG下，在10年左右依次各取N个(N为满足取出的ΔVth的相对标准方差等于所有应力时间下ΔVth的相对标准方差的最小个数)ΔVth，求ΔVth的分布，进而求得ΔVth大于失效判断标准(通常为ΔVth>50mV)的概率，记作该VG下的失效几率。
第二步，将该半导体器件在加速应力下的阈值电压退化ΔVth随时间的变化关系转化到其他工作电压VG下，重复执行上述过程，求出不同VG对应的失效几率，如图3所示。
第三步，如图4所示，在多个半导体器件上重复执行上述过程，得到每个半导体器件的失效几率随VG的变化关系。取相同VG下，不同半导体器件失效几率的均值，作为该VG对应的特征失效几率。即可得到特征失效几率随VG的变化关系。对应特征失效几率(0≤特征失效几率<1)的工作电压VG就是满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD。在实际操作中，VDD由目标要求的特征失效几率确定。
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，本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
Claims (4)
1.一种评估半导体器件10年寿命对应的工作电压的方法，应用于纳米尺度的半导体器件，其特征是，包括如下步骤：
第一步，将某一半导体器件在加速应力下的阈值电压的退化ΔVth等效地转化到某一个工作电压VG下，在10年左右依次选取N个ΔVth值，求出这N个ΔVth值的分布，把这N个ΔVth大于失效判断标准的概率记作失效几率；
第二步，改变VG电压值，重复执行上一步的过程多次，可以求出该半导体器件在10年寿命时的失效几率随着VG的变化关系；
第三步，在同类的多个半导体器件上重复执行上述过程，得到每一个半导体器件在10年寿命时的失效几率随VG的变化关系；
第四步，取不同半导体器件在相同VG下失效几率的均值，作为该VG下的特征失效几率，即可得到特征失效几率随VG的变化关系，对应大于等于0且小于1的特征失效几率的工作电压VG即为满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD；根据目标要求的特征失效几率求出实际的满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD值的大小。
2.如权利要求1所述的评估半导体器件10年寿命对应的工作电压的方法，其特征是，第一步中，N为满足取出的ΔVth的相对标准方差等于所有应力时间下ΔVth的相对标准方差的最小个数。
3.如权利要求1所述的评估半导体器件10年寿命对应的工作电压的方法，其特征是，第一步中所述的失效判断标准为：ΔVth＝50mV。
4.如权利要求1所述的评估半导体器件10年寿命对应的工作电压的方法，其特征是，第三步中，同类的半导体器件至少选择30个。
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