CN107167719B - 一种应用于半导体器件的超快速偏压温度不稳定性测试系统及方法 - Google Patents
一种应用于半导体器件的超快速偏压温度不稳定性测试系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于半导体器件的超快速偏压温度不稳定性测试系统及方法，该系统包括任意波形发生器、波形处理器、输入探针、输出探针和漏端偏压模块；任意波形发生器产生电平和时间可精确控制的应力电压信号、恢复电压信号和测量电压信号，并通过输入探针在被测器件的栅极上加载栅极电压信号；本发明可以精确控制产生BTI效应的电压幅值与时间，可以表征极短时间内的BTI效应，测试灵敏度高。本发明可以在极短时间内实现对阈值电压漂移的表征，测试结果受BTI效应的恢复效应影响小，更进一步地实现了准确测量。本发明可适用于以硅、锗、Ⅲ‑Ⅴ族化合物为载流子沟道的高性能平面晶体管，以及鳍式立体栅极、环栅(GAA)结构场效应晶体管的电学特性研究。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件可靠性的表征和测试技术领域，具体涉及一种对高性能电子器件尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)器件在极短时间内(<10ns)的偏压温度不稳定性的表征技术。
背景技术
过去几十年中，随着CMOS集成电路技术的发展，电路中的最核心单元-金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)的尺寸遵从摩尔定律逐步减小，从几微米(μm)缩短至14nm，晶体管器件密度和性能不断提高。衡量晶体管器件的可靠性的重要指标之一为半导体器件的偏压温度不稳定性(BTI)。偏压温度不稳定性包括负向偏压温度不稳定性(NBTI)和正向偏压温度不稳定性(PBTI)，指的是在一定温度条件下，在晶体管栅极施加偏置电压时，晶体管的电学特性发生阈值电压飘移、饱和电流及跨导减小等退化的效应。随着栅极长度不断缩小和氧化层厚度的不断减薄，半导体器件的偏压温度不稳定性的影响越发显著，已成为器件退化的主要因素之一。因此，对器件偏压温度不稳定性的准确评估和表征具有重要意义。
BTI特性的重要特征在于其具有很强的恢复效应，例如对于p型MOSFET，在高温下对其栅极施加负向偏置电压一段时间后，如果将该负偏压改为正偏压或零偏压，器件的退化特性将在很短的时间内(<10ns)发生一定程度的恢复。因此，恢复效应给对器件BTI特性的准确表征带来难题。
BTI特性的表征通常通过对器件阈值电压的漂移的测试来实现。现有的BTI特性的测试方法中，采用传统的直流电流电压测试方法获得MOSFET晶体管漏极电流Id与栅极电压Vg的输出转移特性曲线从而求出阈值电压，通常需要大约几秒钟。而采用on-the-fly或其他现有的快速测试方法，可以将阈值电压漂移的测试时间减小至100ns的范围，但仍然较BTI特性的恢复效应要慢一个数量级以上，仍无法准确表征极短时间内器件BTI特性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于半导体器件的超快速偏压温度不稳定性测试系统及方法，提高器件BTI特性表征的准确度。
本发明的目的在于通过以下技术方案实现：一种应用于半导体器件的超快速偏压温度不稳定性测试系统，该系统包括任意波形发生器、波形处理器、漏端偏压模块、输入探针和输出探针；其中，
所述任意波形发生器用于产生使被测器件发生BTI效应的电压信号，以及对被测器件阈值电压进行测量的电压信号。
所述波形处理器用于采集被测器件在施加了所述任意波形发生器所产生的电压信号后的响应信号。
所述漏端偏压模块用于给被测器件的漏端提供器件工作时所需的漏端直流偏置电压，并保证漏端输出信号在高频条件下的信号完整性。
所述输入探针将所述任意波形发生器产生的电压信号输入到被测器件的栅端，所述输出探针将被测器件的漏端的响应信号采集并输出到所述波形处理器。
进一步地，所述发生BTI效应的电压信号包括使被测器件产生阈值电压漂移的应力电压信号以及使被测器件阈值电压漂移恢复的恢复电压信号。
在一实施例中，所述被测器件为n型MOSFET，所述应力电压信号大于所述n型MOSFET的阈值电压，所述恢复电压信号小于所述n型MOSFET的阈值电压。
在又一实施例中，所述被测器件为p型MOSFET，所述应力电压信号为负向电压，并且其绝对值大于所述p型MOSFET的阈值电压的绝对值，所述恢复电压信号大于所述p型MOSFET的阈值电压。
进一步地，所述对被测器件阈值电压进行测量的电压信号为使被测器件开启的电压信号，包括但不限于阶梯脉冲信号、三角波、锯齿波以及上述信号的组合。
进一步地，所述任意波形发生器可以产生时间可控的应力电压信号、恢复电压信号和测量电压信号，以及上述信号的任意排列与组合。
进一步地，所述波形处理器采集被测器件漏端在被测器件栅端施加所述阈值电压测量的电压信号的漏端电流信号，根据系统总延时确定栅端电压信号和漏端电流信号的对应关系，并根据此关系计算对应的阈值电压。
进一步地，所述输入探针为能够自动散热的“地-信号-地”射频探针，在一侧的“地-信号”终端之间接有50Ω电阻。所述输出探针为能够自动散热的“地-信号-地”射频探针。
进一步地，所述任意波形发生器与所述输入探针，所述波形处理器与所述输出探针之间传输线缆为毫米波电缆，其极限带宽需保证信号传输的完整性。
本发明的有益效果是：第一，本发明可以精确控制产生BTI效应的电压幅值与时间，可以表征极短时间(小于10ns)内的BTI效应，测试灵敏度高。第二，本发明可以在极短时间(小于1ns)内实现对阈值电压漂移的表征，测试结果受BTI效应的恢复效应影响小，更进一步地实现了准确测量。
附图说明
图1为本发明超快速偏压温度不稳定性测试系统的结构示意图。
图2为按照本发明一实施例提供的超快速BTI测试系统模块示意图。
图3为基于图2实施例所用的超快速BTI测试系统波形处理器输出的应力和恢复下的栅极电压波形示意图。
图4为本发明超快速BTI测试系统的阈值电压测试结果示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一部分，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者是为对本发明技术方案的限定或限制。
如图1所示，一种应用于半导体器件的超快速偏压温度不稳定性测试系统，包括任意波形发生器101、波形处理器102、输入探针103、输出探针104和漏端偏压模块106。任意波形发生器101产生电平和时间可精确控制的应力电压信号、恢复电压信号和测量电压信号，并通过输入探针103在被测器件105的栅极上加载栅极电压信号。漏端偏压模块106通过输出探针104在被测器件105的漏极上加载漏端电压信号；同时，输出探针104采集被测器件105的漏极上的电流信号，无失真地传输到波形处理器102的输入通道。波形处理器102通过确定栅极电压信号和漏极电流信号的对应关系，即可得到被测器件105的ID-VG关系曲线，，通过ID-VG关系曲线求得被测器件105的阈值电压。
图2为按照本发明实施例提供的超快速BTI测试系统模块示意图。本实施例中，波形处理器102为高速示波器，任意波形发生器101产生的栅极电压信号通过输入探针103加载到被测晶体管105的栅端。任意波形发生器101和高速示波器的带宽和采样率设置满足在小于1ns的快速上升或下降沿采集到足够多的数据点的要求。输入探针103为能够自动散热的“地-信号-地”射频探针，在一侧的“地-信号”终端之间接有50Ω电阻。被测器件105的漏端电压信号通过一个任意波形发生器101产生，并传输至漏端偏压模块106后，通过输出探针104加载到被测器件105的漏端。漏端电压信号需要保证被测器件105在测量过程中工作在线性区。输出探针104为能够自动散热的“地-信号-地”射频探针。漏端电流信号由输出探针104采集，无失真地传输到高速示波器的输入通道。高速示波器的输入阻抗为50Ω。任意波形发生器101与输入探针103，波形处理器102与输出探针104之间传输线缆为毫米波电缆，其极限带宽需保证信号传输的完整性。为了减少系统噪声，在整个系统中建立公共地。
图3给出了基于图2实施例所用的超快速BTI测试系统波形处理器输出的应力和恢复下的栅极电压波形示意图。整个波形序列通过任意波形发生器101产生。
如图3(a)所示，进行BTI电压应力效应测试时，首先施加足够长时间的恢复电压信号301，电平为Vrec，以确定被测器件105的初始状态。然后，施加精确控制时间的应力电压信号302，电平为Vstr，使被测器件栅极接受电压应力。测量电压信号303在施加应力电压信号302后立即施加在栅极，在本实施例中，测量电压信号303采用对称的三角波，幅值为0到晶体管工作电压VDD，三角波的上升下降沿均小于1ns，以减小测量过程中的额外恢复效应，并且通过多个重复的三角波以降低噪声影响。波形处理器102通过采集栅极在施加测量电压信号303时的漏端电流信号，通过确定栅极电压信号和漏极电流信号的对应关系，即可得到被测器件105的ID-VG关系曲线，并通过ID-VG关系曲线和阈值电压的关系，求得被测器件105的阈值电压。通过重复此过程，即可得到在施加不同应力时间和应力电压的条件下的阈值电压变化，从而表征被测器件105的BTI效应。
如图3(b)所示，进行BTI电压恢复效应测试时，首先施加足够长时间的应力电压信号302，电平为Vstr，以确定被测器件105的初始状态。然后，施加精确控制时间的恢复电压信号301，电平为Vrec，使被测器件栅极处于恢复状态。测量电压信号303在施加恢复电压信号301后立即施加在栅极，以通过高速示波器求得此条件下被测器件105的阈值电压。通过重复此过程，即可得到在施加不同恢复时间和恢复电压的条件下的阈值电压变化，从而表征被测器件105的BTI效应。
图4为本发明超快速BTI测试系统的阈值电压测试结果示意图。对比商用的快速测试系统和本发明提供的快速测试系统，在未施加任何电压应力的条件下，测量电压信号303的上升下降沿从商用快速系统的1μs提高到500ps时，可以获得类似的线性区ID-VG关系曲线，从而利用外推法获得类似的阈值电压。说明本发明的超快速BTI测试系统可以在极短时间内获得准确有效的阈值电压。
Claims (8)
1.一种应用于半导体器件的超快速偏压温度不稳定性测试方法，其特征在于，该方法在超快速偏压温度不稳定性测试系统上实现；所述超快速偏压温度不稳定性测试系统包括任意波形发生器(101)、波形处理器(102)、输入探针(103)、输出探针(104)和漏端偏压模块(106)；任意波形发生器(101)产生电平和时间可精确控制的应力电压信号、恢复电压信号和测量电压信号，并通过输入探针(103)在被测器件(105)的栅极上加载栅极电压信号；漏端偏压模块(106)通过输出探针(104)在被测器件(105)的漏极上加载漏端电压信号；同时，输出探针(104)采集被测器件(105)的漏极上的电流信号，无失真地传输到波形处理器(102)的输入通道；波形处理器(102)通过确定栅极电压信号和漏极电流信号的对应关系，即可得到被测器件(105)的ID-VG关系曲线，通过ID-VG关系曲线求得被测器件(105)的阈值电压；该方法包括以下步骤：
进行BTI电压应力效应测试时，首先施加足够长时间的恢复电压信号(301)，以确定被测器件(105)的初始状态；然后，施加精确控制时间的应力电压信号(302)，使被测器件栅极接受电压应力；测量电压信号(303)在施加应力电压信号(302)后立即施加在栅极；波形处理器(102)通过采集栅极在施加测量电压信号(303)时的漏端电流信号，通过确定栅极电压信号和漏极电流信号的对应关系，即可得到被测器件(105)的ID-VG关系曲线，从而求得被测器件(105)的阈值电压；通过重复此过程，即可得到在施加不同应力时间和应力电压的条件下的阈值电压变化，从而表征被测器件(105)的BTI效应；
进行BTI电压恢复效应测试时，首先施加足够长时间的应力电压信号(302)，以确定被测器件(105)的初始状态；然后，施加精确控制时间的恢复电压信号(301)，使被测器件栅极处于恢复状态；测量电压信号(303)在施加恢复电压信号(301)后立即施加在栅极，以通过波形处理器(102)求得此条件下被测器件(105)的阈值电压；通过重复此过程，即可得到在施加不同恢复时间和恢复电压的条件下的阈值电压变化，从而表征被测器件(105)的BTI效应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电压信号(303)采用对称的三角波，幅值为0到被测器件(105)工作电压，三角波的上升下降沿均小于1ns，以减小测量过程中的额外恢复效应，并且通过多个重复的三角波以降低噪声影响。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测器件为n型MOSFET，所述应力电压信号大于所述n型MOSFET的阈值电压，所述恢复电压信号小于所述n型MOSFET的阈值电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测器件为p型MOSFET，所述应力电压信号为负向电压，并且其绝对值大于所述p型MOSFET的阈值电压的绝对值，所述恢复电压信号大于所述p型MOSFET的阈值电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电压信号为使被测器件开启的电压信号，包括但不限于阶梯脉冲信号、三角波、锯齿波以及上述信号的组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，输入探针(103)为能够自动散热的“地-信号-地”射频探针，在一侧的“地-信号”终端之间接有50Ω电阻。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，任意波形发生器(101)和波形处理器(102)的带宽和采样率设置满足在小于1ns的快速上升或下降沿采集到足够多的数据点的要求。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，任意波形发生器(101)与输入探针(103)，波形处理器(102)与输出探针(104)之间传输线缆为毫米波电缆，其极限带宽需保证信号传输的完整性。
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