CN108037438A - 一种总剂量辐照对pmosfet负偏压温度不稳定性影响的试验方法 - Google Patents

一种总剂量辐照对pmosfet负偏压温度不稳定性影响的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，该方法是由试验样品分组及测试参数选择；试验样品的总剂量辐照及退火试验；试验样品的负偏压温度不稳定性测量组成，为了保证试验结果的一致性和准确性，首先将样品分为预辐照组、对比组及两个摸底试验组，在摸底试验的基础上对预辐照组开展确定条件下总剂量辐照和退火试验，再将对比组和预辐照组开展相同条件下的负偏压温度不稳定性试验，对比试验结果，获得总剂量辐照对样品负偏压温度不稳定性的影响。本发明提供的方法能够表征总剂量辐照对P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管负偏压温度不稳定性的影响。

Description

一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验 方法
技术领域
本发明涉及微电子器件特殊环境应用的可靠性测试技术领域，具体涉及一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，属于微电子技术领域、抗辐射技术领域。
背景技术
随着半导体工艺的进步，金属氧化物半导体(MOS)器件特征尺寸已进入到纳米领域。将纳米器件应用于航天器电子系统，可实现系统的高速、低功耗、小型轻便化。然而，纳米器件具有负偏压温度不稳定性(NBTI)、热载流子、栅介质经时击穿等可靠性问题，会导致器件性能退化，威胁系统安全。负偏压温度不稳定性(NBTI)效应是指，器件上施加的电压应力在较长时间或者高温加速作用下，产生陷阱电荷，使器件的阈值电压漂移，跨导降低，亚阈摆幅增加，并且退化幅度与应力时间服从指数关系。负偏压温度不稳定性(NBTI)效应是影响P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)使用寿命的关键问题之一。
在空间应用的纳米器件，同时受到总剂量辐射和自身可靠性的双重作用，其失效率由二者共同决定。更为复杂的是，总剂量辐射损伤引入的缺陷与负偏压温度不稳定性(NBTI)退化具有相关性，前者很可能会对后者产生影响。总剂量辐射环境下器件的NBTI效应与非辐射环境下器件的NBTI效应不同。为了准确评估空间辐射环境下器件的NBTI性能，保障器件在辐射环境下的可靠性，必须要开展总剂量辐照对NBTI的影响研究。
近年来，总剂量辐照对PMOSFET NBTI的影响已引起国内外关注。国外关于氧化铪(HfO2)栅介质器件在总剂量辐照后的NBTI效应研究指出总剂量辐照会加重NBTI损伤。国内关于0.18μm PMOS二氧化硅(SiO2)栅介质器件的研究指出，辐照后NBTI引起的阈值电压双向漂移会影响互补金属氧化物半导体(CMOS)器件与电路的稳定工作。由于试验方法对试验结果非常重要，只有建立完善的试验方法，才能准确分析总剂量辐射损伤对器件NBTI的影响。然而，目前国内外尚未有相关测试标准或测试规范。
本发明提出一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，在总剂量辐射损伤机理和负偏压温度不稳定性(NBTI)退化机制的基础上，分别设计了样品分组试验、总剂量辐照和退火试验方法、负偏压温度不稳定性(NBTI)测量方法。综合以上方法，提出的试验方法能够反映总剂量辐射对PMOSFET，负偏压温度不稳定性(NBTI)的影响。
发明内容
本发明目的在于，提供一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的方法，该方法包括试验样品分组及测试参数选择方法；试验样品的总剂量辐照及退火试验方法；试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法。由于总剂量辐照对负偏压温度不稳定性的影响的主要因素为：工艺波动导致的个体差异对试验结果有很大影响，辐照与退火过程决定了总剂量辐照引入缺陷的形成和恢复，直接影响后续的负偏压温度不稳定性退化过程。由于负偏压温度不稳定性具有快速恢复特性，其测量方法对试验结果有重要影响。因此，为了保证试验结果的一致性和准确性，首先将样品分组，在摸底试验的基础上按照规定的方法对预辐照组开展确定条件下总剂量辐照和退火试验，再将对比组和预辐照组开展相同条件下的负偏压温度不稳定性试验，对比试验结果，获得总剂量辐照对样品负偏压温度不稳定性的影响。本发明所述方法能够表征总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性的影响。
本发明所述的一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，该方法是由试验样品分组及测试参数选择方法、试验样品的总剂量辐照及退火方法、试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法组成，具体操作按下列步骤进行：
试验样品分组及测试参数选择方法：
a、对同一批次P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管进行IDS-VGS曲线测试，计算跨导及阈值电压，挑选阈值电压相近的器件，作为试验样品，进行编号，并按等分分成为预辐照组、对比组、辐照摸底试验组和负偏压温度不稳定性摸底试验组，根据实际情况确定样品的总数量，确定样品辐照试验和NBTI应力试验前后需要测试的电参数；
试验样品的总剂量辐照及退火试验方法：
b、对辐照摸底试验组的样品，进行总剂量辐照试验，根据试验结果，确定正式辐照试验的辐照总剂量、偏置条件，对辐照后的样品进行高温和室温退火试验，确定正式退火试验中的退火温度为100℃高温退火和室温退火，高温退火24小时，室温退火168小时，顺序是先高温退火再室温退火；对预辐照组试验样品开展确定条件下的总剂量辐照及退火试验，应使得总剂量辐照后样品的电参数发生较为明显变化，避免退火过程中器件静电等非辐照因素导致的损伤，保证负偏压温度不稳定性试验前器件仍具有正常特性；
试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法：
c、对负偏压温度不稳定性摸底试验组的样品，开展负偏压温度不稳定性应力试验，根据试验结果确定正式负偏压温度不稳定性试验的应力大小、升温和降温时间、测量电压条件，对辐照和退火试验后的预辐照组样品、对比组样品开展相同的确定条件下的负偏压温度不稳定性测量，对比两组试验结果，确定总剂量辐照对负偏压温度不稳定性的影响。
步骤a所述的计算跨导及阈值电压中，利用最大跨导法计算器件阈值电压VTH，或采用固定电流法计算阈值电压。
步骤b所述的辐照总剂量为样品的电学参数发生较为明显的变化时，即关态泄漏电流上升1个数量级以上或阈值电压漂移约30％的总剂量，退火偏置条件为浮空或与辐照偏置条件相同。
步骤c所述的试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法中，将试验样品放入高温箱，在升温的过程中多次扫描IDS-VGS曲线，找到样品的零温度系数点，设置测量电压在零温度系数点附近，但要大于器件的阈值电压，达到稳定温度后，施加应力，在应力施加过程中，不中断应力，测试点电流，快速提取阈值电压，应力结束后，降温，扫描转移特性曲线，记录降温时间，在室温下测量参数，多次试验时，将每次的升温、降温时间保持一致。
本发明所述的一种总剂量辐照对负偏压温度不稳定性影响的方法，该方法的依据如下：
试验样品分组及测试参数选择：
a、为了更加直观地了解总剂量辐照对器件NBTI效应的影响，将器件分为预辐照组、对比组、辐照摸底试验组、负偏压温度不稳定性(NBTI)摸底试验组，利用两个摸底试验组确定辐照试验和负偏压温度不稳定性应力试验条件，为了保证试验数据的可信性，每组试验样品至少选择3只器件开展试验，对预辐照组的样品，先开展规定条件下的总剂量辐照和退火试验，之后开展与对比组相同的负偏压温度不稳定性(NBTI)应力试验，对未辐照组的样品只开展确定应力条件下的负偏压温度不稳定性(NBTI)试验；
在所有试验前，需要对两组中的每只试验样品进行初值测试，根据分立器件测试标准(GBT4586-94半导体器件分立器件第8部分：场效应晶体管)，结合微纳米级MOS器件辐照损伤和NBTI退化的特点，选取测试项为：电流-电压曲线(IDS-VGS)，通过该曲线提取跨导曲线(GM-VGS)、最大跨导(GMMAX)，之后利用最大跨导法计算器件阈值电压VTH，在辐照和退火试验完成后，同样进行上述参数测试；
试验样品的总剂量辐照及退火试验方法：
b、在将样品分组并进行初值测试后，对预辐照组的器件进行总剂量辐照试验，要求选取的辐照总剂量应使辐照后器件仍具有正常的MOSFET特性，对辐照后的器件进行与初值测试相同的电学测试；
对辐照后的器件进行退火试验，主要是考虑空间实际应用条件下发生的辐照感生缺陷退火过程，同时，考虑到负偏压温度不稳定性(NBTI)试验在高温下进行，在此条件下，预辐照器件可能同时发生高温退火，从而恢复部分参数退化，为了排除高温退火的影响，在辐照后的退火试验中，首先规定了高温退火，退火温度为试验样品允许范围内的与负偏压温度不稳定性(NBTI)试验一致的温度，根据以往对高温退火与辐照缺陷关系的研究结果，认为最初退火时间内缺陷的退火最明显，之后趋于饱和，因此将高温退火时间选择为24小时，在高温退火后进行168小时的室温退火过程，退火试验中的样品偏置条件与辐照偏置条件相同，应避免退火过程中器件静电等非辐照因素导致的损伤，保证负偏压温度不稳定性(NBTI)试验前器件特性正常；
试验样品的NBTI测量方法：
c、对预辐照组和对比组的试验样品开展相同条件下的负偏压温度不稳定性(NBTI)应力试验及参数测试，为了保证参数测试的完整性，在负偏压温度不稳定性(NBTI)试验前后对试验样品进行与初值测试相同的电学参数测试。
为了避免负偏压温度不稳定性(NBTI)的快速恢复特性，确定负偏压温度不稳定性(NBTI)应力中的测量方法为快速测试方法，即在应力施加过程中，不中断应力，测试点电流，快速提取阈值电压，阈值电压提取公式为：
其中测量电压VGM的选择要求大于阈值电压VTH，并且为了尽量减小温度带来的误差，将VGM选在零温度系数点附近，选取的办法是：将待测样品放入高温箱，设定NBTI应力温度，在升温的过程中多次测量样品IDS-VGS曲线，多个曲线重合点即为样品零温度系数点，在对同一批次相同条件的样品进行多次测试时，使每次升温和降温时间保持一致，以此来保证多次试验的一致性，通过摸底试验确定样品NBTI应力条件(试验温度、样品栅端电压VG、应力中的测试电压VGM、升温时间、降温时间)后，对预辐照组器件和对比组器件开展相同应力条件下的NBTI试验。
附图说明
图1为本发明的试验方法流程图。
具体实施方式
实施例
本发明所述的一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，该方法是由试验样品分组及测试参数选择方法、试验样品的总剂量辐照及退火方法、试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法组成，试验方法流程图如图1所示，步骤如下：
试验样品分组及测试参数选择方法：
a、对同一批次PMOSFET进行IDS-VGS曲线测试，计算跨导及阈值电压，挑选阈值电压相近的器件12只，作为试验样品。将样品编号、分组，1-3#样品作为预辐照组，4-6#样品作为对比组，7-9#样品为辐照摸底试验组，10-12#样品为负偏压温度不稳定性(NBTI)测量摸底试验组，根据实际情况增加样品的数量，为了保证数据的统计性，每组器件不少于3只；
试验样品的总剂量辐照及退火试验方法：
b、对辐照摸底试验组的7-9#试验样品，进行总剂量辐照摸底试验，选定辐照剂量率及辐照偏置条件，设定辐照剂量点，辐照至规定剂量点时，移位测试样品电学特性(IDS-VGS曲线，提取跨导，计算阈值电压)，直至样品的关态泄漏电流上升1个数量级以上或阈值电压漂移约30％，将此时的辐照剂量作为试验中的辐照总剂量，对预辐照组的1-3#样品，进行正式的总剂量辐照试验，选定辐照偏置条件，辐照至由摸底试验确定的总剂量，进行电学参数测试，之后开展退火试验，首先进行24小时高温浮空退火，之后进行168小时室温浮空退火，测试样品电学参数，避免退火过程中器件静电等非辐照因素导致的损伤，保证负偏压温度不稳定性(NBTI)试验前器件特性正常；
试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法：
c、对负偏压温度不稳定性(NBTI)测量摸底试验组的10-12#试验样品，进行负偏压温度不稳定性(NBTI)应力摸底试验，将试验样品放入高温箱，在升温的过程中多次扫描IDS-VGS曲线，找到样品的零温度系数点，设置测量电压在零温度系数点附近，但要大于器件的阈值电压，记录样品温度稳定的升温时间和降温时间，对辐照和退火后的1-3#样品开展由摸底试验确定的负偏压温度不稳定性(NBTI)应力电压、测量电压条件下的负偏压温度不稳定性(NBTI)应力试验及应力中和应力后的电学参数测试，保存应力后样品的参数变化数据，对4-6#对比组样品开展与预辐照组辐照和退火后样品相同的负偏压温度不稳定性(NBTI)应力和测试试验，记录应力后样品的参数变化数据，从试验后参数变化数据提取阈值电压、线性电流、饱和电流、跨导参数随应力时间的变化值、变化百分比，通常将阈值电压作为敏感参数，对比预辐照组和对比组的参数变化，确定总剂量辐照对负偏压温度不稳定性(NBTI)效应的影响。

Claims (4)

1.一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，其特征在于该方法是由试验样品分组及测试参数选择方法、试验样品的总剂量辐照及退火方法、试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法组成，具体操作按下列步骤进行：
试验样品分组及测试参数选择方法：
a、对同一批次P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管进行IDS-VGS曲线测试，计算跨导及阈值电压，挑选阈值电压相近的器件，作为试验样品，进行编号，并按等分分成为预辐照组、对比组、辐照摸底试验组和负偏压温度不稳定性摸底试验组，根据实际情况确定样品的总数量，确定样品辐照试验和NBTI应力试验前后需要测试的电参数；
试验样品的总剂量辐照及退火试验方法：
b、对辐照摸底试验组的样品，进行总剂量辐照试验，根据试验结果，确定正式辐照试验的辐照总剂量、偏置条件，对辐照后的样品进行高温和室温退火试验，确定正式退火试验中的退火温度为100℃高温退火和室温退火，高温退火24小时，室温退火168小时，顺序是先高温退火再室温退火；对预辐照组试验样品开展确定条件下的总剂量辐照及退火试验，应使得总剂量辐照后样品的电参数发生较为明显变化，避免退火过程中器件静电等非辐照因素导致的损伤，保证负偏压温度不稳定性试验前器件仍具有正常特性；
试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法：
c、对负偏压温度不稳定性摸底试验组的样品，开展负偏压温度不稳定性应力试验，根据试验结果确定正式负偏压温度不稳定性试验的应力大小、升温和降温时间、测量电压条件，对辐照和退火试验后的预辐照组样品、对比组样品开展相同的确定条件下的负偏压温度不稳定性测量，对比两组试验结果，确定总剂量辐照对负偏压温度不稳定性的影响。
2.根据权利要求1所述的一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，其特征在于步骤a所述的计算跨导及阈值电压中，利用最大跨导法计算器件阈值电压VTH，或采用固定电流法计算阈值电压。
3.根据权利要求1所述的一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，其特征在于步骤b所述的辐照总剂量为样品的电学参数发生较为明显的变化时，即关态泄漏电流上升1个数量级以上或阈值电压漂移约30%的总剂量，退火偏置条件为浮空或与辐照偏置条件相同。
4.根据权利要求1所述的一种总剂量辐照对PMOSFET负偏压温度不稳定性影响的试验方法，其特征在于步骤c所述的试验样品的负偏压温度不稳定性测量方法中，将试验样品放入高温箱，在升温的过程中多次扫描IDS-VGS曲线，找到样品的零温度系数点，设置测量电压在零温度系数点附近，但要大于器件的阈值电压，达到稳定温度后，施加应力，在应力施加过程中，不中断应力，测试点电流，快速提取阈值电压，应力结束后，降温，扫描转移特性曲线，记录降温时间，在室温下测量参数，多次试验时，将每次的升温、降温时间保持一致。
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