CN104701298B - 栅氧化层完整性测试结构及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种栅氧化层完整性测试结构及测试方法，所述测试结构包括：衬底，所述衬底具有隔离结构、和由隔离结构限定的有源区；位于所述有源区的多个间隔排列的测试单元，所述测试单元包括：晶体管，所述晶体管包括：位于所述衬底上的栅氧化层、和位于所述栅氧化层上的栅极，栅极两端具有延伸至所述隔离结构上方的第一测试端和第二测试端；与所述第一测试端接触、并电连接的第一接触插塞；与所述第二测试端接触、并电连接的第二接触插塞。解决了利用现有包含多个小面积测试单元的栅氧化层完整性测试结构进行测试时，测试方法较为复杂的问题。

Description

栅氧化层完整性测试结构及测试方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种栅氧化层完整性测试结构及测试方法。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，为了对制造工艺进行监控，保证半导体器件的可靠性，通常的做法是在器件中形成测试结构(testkey)，用于一些关键参数的测试。在CMOS工艺中，栅氧化层是器件结构中的重要结构，栅氧化层应该是一个理想的介质层，其中没有影响其绝缘特性的缺陷，但是，在制造过程中如离子扩散侵入、俘获电荷等因素都会影响栅氧化层的质量。

栅氧化层完整性(Gate Oxide Integrity，简称GOI)测试是验证栅氧化层质量的测试过程。在半导体器件的制造过程中，一般都要形成专门的测试结构用于栅氧化层完整性测试，检测栅氧化层中是否存在缺陷，防止栅氧化层缺陷造成器件的可靠性下降。

传统的栅氧化层完整性测试中通常采用大面积测试结构。但是，随着半导体技术的发展，半导体器件尺寸越来越小，大面积测试结构会给半导体制造工艺带来诸多的不良影响。为了解决该问题，现有测试结构采用包含多个小面积测试单元的测试结构。

但是，利用该包含多个小面积测试单元的测试结构进行栅氧化层完整性测试时，需先进行电学测量，再根据进一步的失效分析才能检测出栅氧化层的具体失效位置，使得测试方法较为复杂。

发明内容

本发明要解决的问题是：利用现有包含多个小面积测试单元的栅氧化层完整性测试结构进行测试时，测试方法较为复杂。

为解决上述问题，本发明提供了一种栅氧化层完整性测试结构，包括：

衬底，所述衬底具有隔离结构、和由所述隔离结构限定的有源区；

位于所述有源区的多个间隔排列的测试单元，所述测试单元包括：

晶体管，所述晶体管包括：位于所述衬底上的栅氧化层、和位于所述栅氧化层上的栅极，所述栅极两端具有延伸至所述隔离结构上方的第一测试端和第二测试端；

与所述第一测试端接触、并电连接的第一接触插塞；

与所述第二测试端接触、并电连接的第二接触插塞。

可选的，所有所述测试单元的第一接触插塞电连接在一起。

可选的，所有所述测试单元排列成矩形阵列。

可选的，所述栅氧化层为低k介质层或高k介质层。

可选的，所述栅极为多晶硅栅极或金属栅极。

可选的，所述晶体管还包括：位于所述栅极两侧的源极和漏极。

另外，本发明还提供了一种栅氧化层完整性测试方法，包括：

提供上述任一栅氧化层完整性测试结构；

检测任一所述测试单元位置的栅氧化层完整性，包括：

通过所述第一接触插塞向所述测试单元的第一测试端施加输入电信号；

通过所述第二接触插塞读取所述测试单元的第二测试端的输出电信号；

将所述输出电信号与测试标准进行比较，判断此测试单元位置的栅氧化层完整性是否符合要求；

重复所述检测任一所述测试单元位置的栅氧化层完整性步骤，直至所有所述测试单元位置的栅氧化层完整性均测试完。

可选的，所述输入电信号、输出电信号均为电压，且所述输入电信号恒定。

可选的，所述将所述输出电信号与测试标准进行比较，判断此测试单元位置的栅氧化层完整性是否符合要求为：

若所述输出电信号恒定、并比输入电信号大参考值，则此测试单元位置的栅氧化层完整性不符合要求，所述参考值为正数；否则，此测试单元位置的栅氧化层完整性符合要求。

可选的，所述参考值大于等于所述输入电信号。

可选的，所述晶体管还包括：位于所述栅极两侧的源极和漏极；

所述检测任一所述测试单元位置的栅氧化层完整性步骤中，所述源极和漏极接地。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

栅氧化层完整性测试结构包含多个测试单元，测试单元的栅极具有与第一接触插塞电连接的第一测试端、和与第二接触插塞电连接的第二测试端。通过向各个测试单元的第一接触插塞施加输入电信号、从第二接触插塞读取输出电信号，可以直接分别检测出各个测试单元位置的栅氧化层完整性是否符合要求，从而能够检测出栅氧化层的具体失效位置，而无需进一步的失效分析，使得测试方法变得简单。

附图说明

图1是本发明具体实施例中栅氧化层完整性测试结构的俯视图；

图2是沿图1中AA方向的截面图；

图3是利用本发明具体实施例的栅氧化层完整性测试结构，进行栅氧化层完整性测试的方法示意图；

图4是本发明具体实施例的栅氧化层完整性测试方法中输入电压及输出电压随时间的变化示意图。

具体实施方式

如前所述，利用现有包含多个小面积测试单元的栅氧化层完整性测试结构进行测试时，测试方法较为复杂。

为了解决该问题，本发明提供了一种改进的栅氧化层完整性测试结构，该测试结构包含多个测试单元，测试单元的栅极具有与第一接触插塞电连接的第一测试端、和与第二接触插塞电连接的第二测试端。通过向各个测试单元的第一接触插塞施加输入电信号、从第二接触插塞读取输出电信号，可以直接分别检测出各个测试单元位置的栅氧化层完整性是否符合要求，从而能够检测出栅氧化层的具体失效位置，而无需进一步的失效分析，使得测试方法变得简单。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明具体实施例中栅氧化层完整性测试结构的俯视图，图2是沿图1中AA方向的截面图。如图1和图2所示，栅氧化层完整性测试结构包括：

衬底1，衬底1具有隔离结构2、和由隔离结构2限定的有源区3。在本实施例中，衬底1为硅衬底，隔离结构2为浅沟槽隔离结构。

位于有源区3的多个间隔排列的测试单元4，图中仅以一个测试单元4为例，所有测试单元4可以排列成矩形阵列。测试单元4包括：晶体管，所述晶体管包括：位于衬底1上的栅氧化层41、和位于栅氧化层41上的栅极42，栅极42的两端具有延伸至隔离结构2上方的第一测试端421和第二测试端422；位于栅极42两侧的源极和漏极(未图示)。

与第一测试端421接触、并电连接的第一接触插塞51，与第二测试端422接触、并电连接的第二接触插塞52。在本实施例中，所有测试单元4的第一接触插塞51电连接在一起，所有测试单元4的第二接触插塞52彼此未电连接。

由于栅极42的第一测试端421、第二测试端422均位于隔离结构2上方，使得第一接触插塞51和第二接触插塞52未设置在对应栅介质层41的位置，避免了在利用该测试结构进行栅氧化层完整性测试时会造成不良的影响。

在本实施例中，所述晶体管为MOS晶体管。在其他实施例中，所述晶体管也可以为其他种类的晶体管。

在本实施例中，栅氧化层41为氧化硅，厚度为几纳米至几万纳米。在其他实施例中，栅氧化层41也可以为其他种类的低k介质层或高k介质层。

在本实施例中，栅极42为多晶硅栅极。在其他实施例中，栅极42也可以为金属栅极。

在本实施例中，第一接触插塞51和第二接触插塞52为钨塞。第一接触插塞51上方可以形成与第一接触插塞51电连接的金属垫(未图示)，第二接触插塞52上方也可以形成与第二接触插塞52电连接的金属垫(未图示)。

下面对利用本实施例的栅氧化层完整性测试结构，进行栅氧化层完整性测试的其中一种方法进行介绍。

图3是利用本发明具体实施例的栅氧化层完整性测试结构，进行栅氧化层完整性测试的方法示意图，图中以包含排列成4×4阵列的多个测试单元的栅氧化层完整性测试结构为例。结合图3所示，提供上述实施例的栅氧化层完整性测试结构，使测试单元4中晶体管的源极和漏极接地，通过第一接触插塞51向测试单元4的第一测试端421施加输入电信号。由于所有测试单元4的第一接触插塞51电连接在一起，故可以同时向所有测试单元4的第一接触插塞51施加相同的输入电信号。

在本实施例中，所述输入电信号为恒定电压V1，且输入电压V1大于等于晶体管工作电压、小于栅氧化层击穿电压。例如，输入电压V1可以小于0.9倍栅氧化层击穿电压。

在本实施例中，可以将一个电压源与所有测试单元4的第一接触插塞51电连接，以向所有测试单元4的第一接触插塞51提供输入电压V1。

然后，通过第二接触插塞52读取测试单元4的第二测试端422的输出电信号。由于所有测试单元4的第二接触插塞52彼此未电连接，故需分别测量各个测试单元4的第二测试端422的输出电信号。

将所述输出电信号与测试标准进行比较，判断此测试单元4位置的栅氧化层完整性是否符合要求。在本实施例中，此步骤为：若所述输出电信号恒定、并比输入电信号大参考值，则此测试单元位置的栅氧化层完整性不符合要求，所述参考值为正数；否则，此测试单元位置的栅氧化层完整性符合要求。

图4是本发明具体实施例的栅氧化层完整性测试方法中输入电压及输出电压随时间的变化示意图，其中，曲线S0表示输入电压V1，S1表示测试单元位置的栅氧化层完整性不符合要求时的输出电压V2，S2表示测试单元位置的栅氧化层完整性符合要求时的输出电压V2。结合图4所示，如图中曲线S1所示，若输出电压V2恒定、大于输入电压V1，且输出电压V2比输入电压V1大参考值，则认为此测试单元4位置的栅氧化层有被击穿，故此测试单元4位置的栅氧化层完整性不符合要求；否则，则认为此测试单元4位置的栅氧化层完整性符合要求。

如图中曲线S2所示，当此测试单元4位置的栅氧化层完整性符合要求时，第二测试端422的其中一种输出电压V2按照以下方式变化：在AB阶段，输出电压V2与输入电压V1相等；在BC阶段，输出电压V2急剧下降；在CD阶段，输出电压V2保持不变；在DE阶段，输出电压V2急剧上升。

在施加输入电压V1的AB阶段(不包括B时刻)，由于对应此测试单元4位置的栅氧化层未被击穿，故在AB阶段输出电压V2与输入电压V1相等。需说明的是，由于在实际制作工艺中，很难保证栅氧化层零缺陷，故在AB阶段，输出电压V2会稍小于输入电压V1。

在栅极42的第一测试端421被施加一段时间的输入电压V1之后，由于此测试单元4位置的栅氧化层经受了一段时间的电应力作用，故在B时刻，此测试单元4位置的栅氧化层会被击穿。

在BC阶段，由于此测试单元4位置的栅氧化层被击穿，致使栅极42产生较大的电流，造成输出电压V2急剧下降。在CD阶段(不包括D时刻)，栅极42会发热。加热一段时间之后，栅极42会在D时刻熔断，故在DE阶段，输出电压V2会急剧上升。

在本实施例中，所述参考值大于等于输入电压V1。换言之，在本实施例中，输出电压V2至少为输入电压V1的两倍时，才认为此测试单元4位置的栅氧化层完整性不符合要求。

当然，在其他实施例中，所述参考值也可以根据具体情况做调整。例如，当对栅介质层完整性要求较为严格时，可以将所述参考值设定相对大一些；当对栅介质层完整性要求较为宽松时，可以将所述参考值设定相对小一些；当输入电压V1相对较大时，可以将所述参考值设定相对大一些；当输入电压V1相对较小时，可以将所述参考值设定相对小一些。

通过逐一测量各个测试单元4的第二测试端422的输出电压V2，可以测量出测试结构中各个测试单元位置的栅氧化层完整性是否符合要求。在本实施例中，可以利用电压计测量各个测试单元4的第二测试端422的输出电压V2。

由上述分析可知，通过向各个测试单元4的第一接触插塞51施加输入电信号、从第二接触插塞52读取输出电信号，可以直接分别检测出各个测试单元4位置的栅氧化层完整性是否符合要求，从而能够检测出栅氧化层的具体失效位置，而无需进一步的失效分析，使得测试方法变得简单。

进一步地，利用本实施例的栅氧化层完整性测试方法还可以检测，测试单元的栅极性能是否符合要求。判断方法为：若输出电压V2为图4中曲线S2所示，则表明栅极性能符合要求；若输出电压V2在前一阶段与输入电压V1相等，但在后一阶段突然急剧增大，则表明栅极性能不符合要求。

需说明的是，在本发明的栅氧化层完整性测试结构基础上，还可以利用上述实施例之外的测试方法来进行栅氧化层完整性测试。所述输入电信号、输出电信号也可以不为电压。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种栅氧化层完整性测试结构，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底具有隔离结构、和由所述隔离结构限定的有源区；

位于所述有源区的多个间隔排列的测试单元，所述测试单元包括：

晶体管，所述晶体管包括：位于所述衬底上的栅氧化层、和位于所述栅氧化层上的栅极，所述栅极两端具有延伸至所述隔离结构上方的第一测试端和第二测试端；

与所述第一测试端接触、并电连接的第一接触插塞；

与所述第二测试端接触、并电连接的第二接触插塞。

2.根据权利要求1所述的栅氧化层完整性测试结构，其特征在于，所有所述测试单元的第一接触插塞电连接在一起。

3.根据权利要求1所述的栅氧化层完整性测试结构，其特征在于，所有所述测试单元排列成矩形阵列。

4.根据权利要求1所述的栅氧化层完整性测试结构，其特征在于，所述栅氧化层为低k介质层或高k介质层。

5.根据权利要求1所述的栅氧化层完整性测试结构，其特征在于，所述栅极为多晶硅栅极或金属栅极。

6.根据权利要求1所述的栅氧化层完整性测试结构，其特征在于，所述晶体管还包括：位于所述栅极两侧的源极和漏极。

7.一种栅氧化层完整性测试方法，其特征在于，包括：

提供权利要求1至5任一项所述的栅氧化层完整性测试结构；

检测任一所述测试单元位置的栅氧化层完整性，包括：

通过所述第一接触插塞向所述测试单元的第一测试端施加输入电信号；

通过所述第二接触插塞读取所述测试单元的第二测试端的输出电信号；

若所述输出电信号恒定、并比输入电信号大参考值，则此测试单元位置的栅氧化层完整性不符合要求，所述参考值为正数；否则，此测试单元位置的栅氧化层完整性符合要求；

重复所述检测任一所述测试单元位置的栅氧化层完整性步骤，直至所有所述测试单元位置的栅氧化层完整性均测试完。

8.根据权利要求7所述的栅氧化层完整性测试方法，其特征在于，所述输入电信号、输出电信号均为电压，且所述输入电信号恒定。

9.根据权利要求8所述的栅氧化层完整性测试方法，其特征在于，所述晶体管还包括：位于所述栅极两侧的源极和漏极；

所述检测任一所述测试单元位置的栅氧化层完整性步骤中，所述源极和漏极接地。