CN104977519B

CN104977519B - 一种测试器件热载流子注入效应的方法

Info

Publication number: CN104977519B
Application number: CN201410150300.8A
Authority: CN
Inventors: 牛刚; 于建姝
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: CN104977519A

Abstract

本发明提供一种测试器件热载流子注入效应的方法，首先根据实测I_dsat退化拟合直线的斜率及坐标（TTF，10%）得到最大I_dsat退化直线，并计算其上第一时间t₁所对应的纵坐标值A；再计算实测I_dsat退化拟合直线上纵坐标值A所对应的横坐标t₁’；然后根据实测I_dlin退化拟合直线，计算该直线上t₁’所对应的纵坐标B，并以平均值B’作为标准参数值；若待测试样品在t₁时的I_dlin退化值小于或等于B’，则判断该测试样品正常。通过本发明能够准确反映器件的性能，且测试过程不会导致样品性能参数发生严重退化，从而使得测试以后，该样品还能够用于其它类型的测试。本发明还能够缩短测试时间周期，将每个样品的测试时间从10000秒减少到100秒，极大提高了测试效率，降低器件制造成本。

Description

一种测试器件热载流子注入效应的方法

技术领域

本发明属于半导体测试领域，涉及一种测试器件热载流子注入效应的方法。

背景技术

由热载流子效应引起的长时间工作后MOS器件参数退化是现代微电子学的一个重要的可靠性问题。高能载流子，即热载流子，是在MOS器件漏极附近的大的沟道电场力产生的。随着大规模、超大规模集成电路的进一步发展，MOS器件的集成度不断提高，器件的尺寸不断减小。在MOS器件的尺寸不断减小的同时，器件的工作电压却没有等比减小，这就使器件的沟道区电场大幅度提高。载流子在沟道区高电场的作用下获得足够的能量翻越界面势垒注入到栅氧化层中，在界面产生界面态或被栅氧化层中的陷阱俘获，界面态和氧化物电荷的增加使器件的特性发生退变。不论是P沟还是N沟的MOS器件都受到热载流子效应的影响。通常情况下，线性区漏极电流(I_dlin)和饱和区漏极电流(I_dsat)是监测热载流子注入效应对器件电特性影响最为常用的两个参数。

传统的测试方法在热载流子注入(Hot Carrier Injiection，HCI)测试后会使得器件退化，不能够继续用于其它测试。并且传统测试方法的测试周期很长，每个样品每次测试时间为10000秒，并且需要在三种应力条件下进行测试，每种应力条件至少测试三个样品，因此总共需要9*10000秒，也就是25小时。

随着工艺节点持续减小，为了节省晶圆的空间，越来越多的客户希望减少测试单元的数量，并要求同一个测试单元能够被测试多次，同时，客户希望减少测试的循环时间。因此，提供一种新的测试器件热载流子注入效应的方法以减少测试单元数量、节省测试时间实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种测试器件热载流子注入效应的方法，用于解决现有技术中同一个测试单元不能够被测试多次，且测试时间周期太长的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种测试器件热载流子注入效应的方法，至少包括以下步骤：

S1：提供至少一个标准测试样品及若干待测试样品，计算预设应力条件下每个标准测试样品的预计失效时间TTF；

S2：对于每个标准测试样品，根据实测I_dsat退化拟合直线的斜率及坐标(TTF，10％)得到最大I_dsat退化直线，其中I_dsat为饱和漏电流；所述最大I_dsat退化直线的斜率与所述实测I_dsat退化拟合直线的斜率相同并经过点(TTF，10％)；

S3：对于每个标准测试样品，计算所述最大I_dsat退化直线上横坐标为第一时间t₁时所对应的纵坐标值A，并计算所述实测I_dsat退化拟合直线上纵坐标值为A时所对应的横坐标t₁’；

S4：对于每个标准测试样品，根据实测I_dlin退化拟合直线，计算该直线上横坐标为t₁’时所对应的纵坐标B，其中I_dlin为线性漏电流；

S5：对于所有标准测试样品，计算得到所述纵坐标B的平均值B’，并将所述平均值B’作为标准参数值；

S6：在所述预设应力条件下对每个待测试样品进行应力测试，测试时长等于所述第一时间t₁，若该待测试样品在所述第一时间t₁时的I_dlin退化值小于或等于所述标准参数值，则判断该测试样品通过热载流子注入效应测试；若该待测试样品在所述第一时间t₁时的I_dlin退化值大于所述标准参数值，则判断该测试样品异常。

可选地，当所述标准测试样品为NMOS时，采用I_sub/I_d模型计算所述预计失效时间TTF，其中I_sub为衬底电流，I_d为漏极电流；所述I_sub/I_d模型公式为TTF·(I_d/W)＝C(I_sub/I_d)^-m，其中，W为沟道宽度，C和m为已定的参数。

可选地，当所述标准测试样品为PMOS时，采用1/V_d模型计算所述预计失效时间TTF，其中V_d为漏极电压；所述1/V_d模型公式为TTF＝t₀·exp(C₁/V_ds)，其中，V_ds为漏源电压，t₀和C₁为已定的参数。

可选地，所述第一时间t₁小于500秒。

可选地，所述第一时间t₁为100秒。

可选地，所述实测I_dsat退化拟合直线与所述实测I_dlin退化拟合直线的应力测试时间小于或等于10000秒。

可选地，于所述步骤S1中，所述标准测试样品的数量为3个。

可选地，所述预设应力条件包括预设应力栅极电压V_g，stress及预设应力漏极电压V_d，stress。

可选地，所述预设应力漏极电压大于或等于1.1倍的工作电压，且小于或等于0.9倍的击穿电压。

如上所述，本发明的测试器件热载流子注入效应的方法，具有以下有益效果：通过本发明的方法对待测试样品进行热载流子注入效应测试，能够准确反映器件的性能，且测试过程不会导致样品性能参数发生严重退化，从而使得测试以后，该样品还能够用于其它类型的测试，满足客户减少测试单元的数量以节省器件空间的要求。本发明的方法还能够缩短测试时间周期，将每个样品的测试时间从10000秒减少到100秒，极大提高了测试效率，降低器件制造成本。

附图说明

图1显示为本发明的测试器件热载流子注入效应的方法的步骤流程图。

图2显示为本发明的测试器件热载流子注入效应的方法中步骤S1至步骤S3的理论示意图。

图3显示为本发明的测试器件热载流子注入效应的方法中步骤S4的理论示意图。

图4显示为本发明的测试器件热载流子注入效应的方法中步骤S1至步骤S3的一个具体实施过程的示意图。

图5显示为本发明的测试器件热载流子注入效应的方法中步骤S4及步骤S5的一个具体实施过程的示意图。

图6显示为标准测试样品的I_dsat退化率及I_dlin退化率与应力时间的关系图。

图7显示为六个待测试样品在100秒应力时间内的I_dlin退化率关系图。

元件标号说明

S1～S6 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种测试器件热载流子注入效应的方法，请参阅图1，显示为该方法的步骤流程图，至少包括以下步骤：

步骤S1：提供至少一个标准测试样品及若干待测试样品，计算预设应力条件下每个标准测试样品的预计失效时间TTF。

具体的，所述标准测试样品及所述待测试样品为相同的器件，可以为NMOS或PMOS等。所述预设应力条件包括预设应力栅极电压V_g，stress及预设应力漏极电压V_d，stress。所述预设应力漏极电压应满足大于或等于1.1倍的工作电压，且小于或等于0.9倍的击穿电压。对于NMOS器件，可采用I_sub/I_d模型计算所述预计失效时间TTF，其中I_sub为衬底电流，I_d为漏极电流；所述I_sub/I_d模型公式为TTF·(I_d/W)＝C(I_sub/I_d)^-m，其中，W为沟道宽度，C和m为已定的参数，可通过线性的衰退分析拟合得到。对于PMOS器件，可采用1/V_d模型计算所述预计失效时间TTF，其中V_d为漏极电压；所述1/V_d模型公式为TTF＝t₀·exp(C₁/V_ds)，其中，V_ds为漏源电压，t₀和C₁为已定的参数。通常，设定器件的应力寿命(如1.1倍工作电压下的寿命)为0.2年(对应的正常使用期限大于或等于10年)，并采用饱和漏电流退化率为10％作为失效判据，根据以上模型计算得到预计失效时间TTF。需要指出的是，以上模型为本领域的公知常识，具体计算过程此处不再赘述。

步骤S2：对于每个标准测试样品，根据实测I_dsat退化拟合直线的斜率及坐标(TTF，10％)得到最大I_dsat退化直线，其中I_dsat为饱和漏电流；所述最大I_dsat退化直线的斜率与所述实测I_dsat退化拟合直线的斜率相同并经过点(TTF，10％)。

具体的，所述实测I_dsat退化拟合直线通过若干实测数据得到。如图2所示，通过将实测I_dsat退化拟合直线向上平移，并使其经过点(TTF，10％)，即可得到最大I_dsat退化直线。此处10％是饱和漏电流I_dsat退化率(I_dsat％)，经过一定的应力时间t，当饱和漏电流I_dsat退化率达到10％时即可认为器件失效。

步骤S3：对于每个标准测试样品，计算所述最大I_dsat退化直线上横坐标为第一时间t₁时所对应的纵坐标值A，并计算所述实测I_dsat退化拟合直线上纵坐标值为A时所对应的横坐标t₁’。

具体的，所述第一时间t₁小于500秒，优选为100秒。如图2所示，显示了实测I_dsat退化拟合直线横坐标为t₁时所对应的纵坐标值A所在位置，及最大I_dsat退化直线上纵坐标为A时所对应的横坐标t₁’所在位置。

步骤S4：对于每个标准测试样品，根据实测I_dlin退化拟合直线，计算该直线上横坐标为t₁’时所对应的纵坐标B，其中I_dlin为线性漏电流。

具体的，所述实测I_dlin退化拟合直线通过若干实测数据得到，如图3所示，显示了实测I_dlin退化拟合直线上横坐标t₁’时所对应的纵坐标B的位置。

步骤S5：对于所有标准测试样品，计算得到所述纵坐标B的平均值B’，并将所述平均值B’作为标准参数值(spec)。

步骤S6：在所述预设应力条件下对每个待测试样品进行应力测试，测试时长等于所述第一时间t₁，若该待测试样品在所述第一时间t₁时的I_dlin退化值小于或等于所述标准参数值，则判断该测试样品通过热载流子注入效应测试；若该待测试样品在所述第一时间t₁时的I_dlin退化值大于所述标准参数值，则判断该测试样品异常。

具体的，所述第一时间t₁以100秒为例，在100秒的应力时间范围内，还可以在其它应力时间点测试I_dlin退化值，从而提供更多数据以更准确地进行分析。

通过以上各步骤，即可快速进行热载流子注入效应测试，且不会使器件严重退化。

下面以一种特征尺寸为0.35微米、工作电压为3.3V的NMOS器件为例详细说明本发明的一种测试器件热载流子注入效应的方法。采用的应力条件为V_d＝4.4V，V_g＝2.211V，其中V_d为漏极电压，V_g为栅极电压。

首先，选取3个标准测试样品，对于每个样品，根据预设应力时间段，如10秒、20秒、50秒、100秒、500秒、1000秒等等，测试各应力时间点对应的I_dsat退化值及I_dlin退化值，拟合得到实测I_dsat退化拟合直线及I_dlin退化拟合直线，并根据I_sub/I_d模型计算得到预计失效时间TTF＝1.83E+04s。图4及图5分别显示了实测I_dsat退化拟合直线及I_dlin退化拟合直线。本实施例中，应力测试时间达到10000秒，拟合直线的准确性很高。在其它实施例中，应力测试时间也可以小于10000秒。如图4所示，三个标准测试样品的I_dsat退化拟合直线几乎重合，因此，此处设定三个标准测试样品的实测I_dsat退化拟合直线的斜率均为0.56。

然后，根据该斜率值及计算得到的TTF值，作出最大I_dsat退化直线，该直线斜率为0.56，且经过点(TTF，10％)，图4中示出了该点x＝1.83E+04s，y＝10％的位置，其中x为横坐标，y为纵坐标。所述实测I_dsat退化拟合直线的延长线还经过点x＝1.83E+04s，y＝9.79％。

接着，计算所述最大I_dsat退化直线上横坐标为第一时间t₁时所对应的纵坐标值A，并计算所述实测I_dsat退化拟合直线上纵坐标值为A时所对应的横坐标t₁’。作为示例，所述第一时间t₁＝100秒。如图4所示，示出了实测I_dsat退化拟合直线上的点x＝1E+02s，y＝0.407％及最大I_dsat退化直线上的点x＝1E+02s，y＝0.589％，即A＝0.589％。所述实测I_dsat退化拟合直线在纵坐标为y＝0.589％时，横坐标为1.8E2，即t₁’＝1.8E2秒。

再根据实测I_dlin退化拟合直线，计算该直线上横坐标为t₁’时所对应的纵坐标B，其中I_dlin为线性漏电流。如图5所示，示出了实测I_dlin退化拟合直线上的点x＝1.8E+02s，y＝7.3％，即B＝7.3％。图6还示出了标准测试样品的I_dsat退化率及I_dlin退化率与应力时间的关系图，I_dlin退化曲线的斜率为0.48，I_dsat退化曲线的斜率为0.56。

对于所有标准测试样品，计算得到所述纵坐标B的平均值B’，并将所述平均值B’作为标准参数值(spec)。本实施例中，得到的三个标准测试样品的B值均为7.3％，因此平均值B’＝7.3％。

最后，在所述预设应力条件下对每个待测试样品进行应力测试，测试时长等于所述第一时间t₁，若该待测试样品在所述第一时间t₁时的I_dlin退化值小于或等于所述标准参数值，则判断该测试样品通过热载流子注入效应测试；若该待测试样品在所述第一时间t₁时的I_dlin退化值大于所述标准参数值，则判断该测试样品异常。

如图7所示，显示为六个待测试样品在100秒应力时间内的I_dlin退化率关系图，应力条件为V_d＝4.4V，V_g＝2.211V，由图7可知，1号样品、2号样品、3号样品、4号样品、5号样品及6号样品在应力时间为100秒处的I_dlin退化率值几乎重合，均在3.25％～3.35％之间，均小于spec值7.3％，且图7中的测量数据未见明显异常，因此这六个样品的均可判断为正常。

本实施例中，每个待测试样品的测试时间均为100秒，大大缩短了测试时间。通过再次测试(此处未予图示)，结果表明样品参数并未发生明显退化，因此还可以用于其它类型的测试。对于待测试样品数目为数百、数千甚至更多的情况，本发明的方法可以节省大量时间，提高测试仪器的使用效率，降低生产成本。

综上所述，本发明的测试器件热载流子注入效应的方法，具有以下有益效果：通过本发明的方法对待测试样品进行热载流子注入效应测试，能够准确反映器件的性能，且测试过程不会导致样品性能参数发生严重退化，从而使得测试以后，该样品还能够用于其它类型的测试，满足客户减少测试单元的数量以节省器件空间的要求。本发明的方法还能够缩短测试时间周期，将每个样品的测试时间从10000秒减少为100秒，极大提高了测试效率，降低器件制造成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种测试器件热载流子注入效应的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1：提供至少一个标准测试样品及若干待测试样品，计算预设应力条件下每个标准测试样品的预计失效时间TTF；其中，所述预设应力条件包括预设应力栅极电压V_g，stress及预设应力漏极电压V_d，stress，所述预设应力漏极电压大于或等于1.1倍的工作电压，且小于或等于0.9倍的击穿电压；

S3：对于每个标准测试样品，计算所述最大I_dsat退化直线上横坐标为第一时间t₁时所对应的纵坐标值A，并计算所述实测I_dsat退化拟合直线上纵坐标值为A时所对应的横坐标t₁’；其中，所述第一时间t₁小于500秒；

2.根据权利要求1所述的测试器件热载流子注入效应的方法，其特征在于：当所述标准测试样品为NMOS时，采用I_sub/I_d模型计算所述预计失效时间TTF，其中I_sub为衬底电流，I_d为漏极电流；所述I_sub/I_d模型公式为TTF·(I_d/W)＝C(I_sub/I_d)^-m，其中，W为沟道宽度，C和m为已定的参数。

3.根据权利要求1所述的测试器件热载流子注入效应的方法，其特征在于：当所述标准测试样品为PMOS时，采用1/V_d模型计算所述预计失效时间TTF，其中V_d为漏极电压；所述1/V_d模型公式为TTF＝t₀·exp(C₁/V_ds)，其中，V_ds为漏源电压，t₀和C₁为已定的参数。

4.根据权利要求1所述的测试器件热载流子注入效应的方法，其特征在于：所述第一时间t₁为100秒。

5.根据权利要求1所述的测试器件热载流子注入效应的方法，其特征在于：所述实测I_dsat退化拟合直线与所述实测I_dlin退化拟合直线的应力测试时间小于或等于10000秒。

6.根据权利要求1所述的测试器件热载流子注入效应的方法，其特征在于：于所述步骤S1中，所述标准测试样品的数量为3个。