CN110095703A - 一种自热效应测试结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自热效应测试结构，该结构包括：第一待测器件(1)、第二待测器件(2)、传感器(3)；所述第一待测器件(1)和第二待测器件(2)相对于传感器(3)呈镜像布置。本发明的优点在于：(1)支持多类器件的自热效应检测，不受器件制造工艺和器件种类的制约，适用范围广，实用性强，检测效率高。(2)相较于前述其他技术，该结构测试结果更为准确可信。(3)本结构极大地减少了自热器件和传感器件之间的热扩散，使得传感器件具备的温度条件更加接近于自加热器件。结构利用栅极隧穿电流对温度的敏感性，更快速和准确地获得被测器件的信息，降低了信息采集的时间和成本。

Description

一种自热效应测试结构及方法
技术领域
本发明涉及半导体器件可靠性测试领域，具体公开了一种自热效应测试结构及方法。
背景技术
近年来随着MOS集成电路集成度提高，器件特征尺寸的不断缩小，高集成度芯片内部功耗加大，器件内部产热所造成的温升现象愈发严峻，尤其当器件进入纳米级水平，自热效应成为了制约MOSFETs器件发展的重要因素。因此如何实现对器件更为准确和可靠的自热效应检测，对于纳米级MOS器件而言，测试结构的设计和研究就显得至关重要。
目前，针对自热效应测试的表征手段多种多样，主要分为电学表征法和光学表征法，通过检测不同的电学或者光学信号来间接得到温度信息。而电学表征又可以分为：交流信号表征、脉冲信号表征、四端栅电阻表征、金属线电阻表征以及邻近晶体管或二极管表征法等等。
在MOSFETs自热效应测试结构研究方面，上述的邻近晶极管或二极管表征技术，常用的检测方法是通过测试相邻二极管或晶体管的亚阈值斜率、阈值电压、关态电流或pn结正反向饱和电流，获取自加热的晶体管的电学性能和自热效应。但是这种做法面临的问题是，自加热晶体管的热量传递至相邻二极管的过程中必然会损失掉很大部分热量。加之，现代三维MOS器件如FinFET等器件的散热路径较多，通过热扩散影响邻近晶体管的方法检测到的电学数据相较于真实数据存在较大偏差。基于这种情况，需要设计一种尽可能减少热源扩散，提高测试准确性的结构，以便更为灵敏的检测出待测器件的热效应。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明利用MIS电容结构的漏电流与温度较强的依赖关系，通过扫描传感器件栅电流反映两端待测器件的温度变化。本发明的测试结构所采用的MIS漏电流检测方法可使传感测试结果更加接近待测器件实际自热温度。
根据本发明的第一个方面，提供了一种自热效应测试结构，该结构包括：第一待测器件(1)、第二待测器件(2)、传感器(3)；所述第一待测器件(1)和第二待测器件(2)相对于传感器(3)呈镜像布置。
优选的，所述第一待测器件(1)包括第一端(4)、第二端(5)、第三端(6)，所述第二待测器件(2)包括第一端(8)、第二端(7)、第三端(9)。
优选的，第一待测器件(1)的第一端(4)与第二待测器件(2)的第一端(8)相对于传感器(3)呈镜像布置；第一待测器件(1)的第二端(5)与第二待测器件(2)的第二端(7)相对于传感器(3)呈镜像布置。
优选的，第一待测器件(1)、第二待测器件(2)均采用自热MOS器件。
优选的，所述第一待测器件(1)的第一端(4)为源极、第二端(5)为漏极、第三端(6)为栅极；第二待测器件(2)的第一端(8)为源极、第二端(7)为漏极、第三端(9)为栅极。
优选的，所述第一待测器件(1)的第一端(4)为漏极、第二端(5)为源极、第三端(6)为栅极；第二待测器件(2)的第一端(8)为漏极、第二端(7)为源极、第三端(9)为栅极。
优选的，该结构可用于二维平面器件或三维器件。
优选的，所述传感器(3)包括金属栅层(11)、SiO2绝缘层(12)以及体硅层(13)。
根据本发明的第二个方面，还提供了一种自热效应测试方法，使用上述的结构，在所述测试结构工作之前，首先通过金属互连线互连第一待测器件(1)的第一端(4)和第二待测器件(2)的第一端(8)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)的第二端(5)和第二待测器件(2)的的第二端(7)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)的第三端(6)和第二待测器件(2)的的第三端(9)。
优选的，所述方法包括如下步骤：关闭测试器件，预置传感器栅电压，校准传感器件；提取传感器的栅极电流与温度曲线；开启两个测试器件，维持传感器件栅电压不变，自加热至稳态，同时测量传感器栅极电流；参照传感器的栅极电流与温度曲线得到传感器件的电流变化和待测器件自热效应导致的温度变化；获得测试器件的自热效应情况。
本发明的优点在于：(1)支持多类器件的自热效应检测，不受器件制造工艺和器件种类的制约，适用范围广，实用性强，检测效率高。(2)相较于前述其他技术，该结构测试结果更为准确可信。(3)本结构极大地减少了自热器件和传感器件之间的热扩散，使得传感器件具备的温度条件更加接近于自加热器件。结构利用栅极隧穿电流对温度的敏感性，更快速和准确地获得被测器件的信息，降低了信息采集的时间和成本。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的一种自热效应测试结构的剖视图。
附图2示出了根据本发明实施方式的传感器件结构的剖视图。
附图3示出了根据本发明实施方式的一种自热效应测试结构的版图结构示意图。
附图4示出了根据本发明实施方式的一种自热效应测试方法流程图。
附图5示出了测量得到的不同环境温度下器件的栅极电流特性示意图。
附图6示出了给定栅极偏置电压(Vg＝1V)下电流与温度的关系示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明设计了一个以并联电路方式搭建的镜像器件结构，通过提取传感器件栅极电流感知器件的自热状况。该结构可以灵敏地反应器件温度变化，并可适用于多种类型的MOSFETs器件的自热效应检测中，提升自热效应检测精准度。并且，该结构还可以有效降低器件自热效应测量时带来的实验误差，反映自加热器件的温升情况，提高检测的效率和准确度。
如图1所示，为一种自热效应测试结构图，该结构包括：第一待测器件(1)、第二待测器件(2)、传感器(3)；所述第一待测器件(1)和第二待测器件(2)相对于传感器(3)呈镜像布置。其中，所述第一待测器件(1)包括第一端(4)、第二端(5)、第三端(6)，所述第二待测器件(2)包括第一端(8)、第二端(7)、第三端(9)。第一待测器件(1)的第一端(4)与第二待测器件(2)的第一端(8)相对于传感器(3)呈镜像布置。第一待测器件(1)的第二端(5)与第二待测器件(2)的第二端(7)相对于传感器(3)呈镜像布置。
优选的，第一待测器件(1)、第二待测器件(2)均采用自热MOS器件；所述第一待测器件(1)的第一端(4)为源极、第二端(5)为漏极、第三端(6)为栅极。与此对应的，第二待测器件(2)的第一端(8)为源极、第二端(7)为漏极、第三端(9)为栅极。与此对应的，该实施例适用于工艺设定条件为共漏端的测量。
可替换的，所述第一待测器件(1)的第一端(4)为漏极、第二端(5)为源极、第三端(6)为栅极。与此对应的，第二待测器件(2)的第一端(8)为漏极、第二端(7)为源极、第三端(9)为栅极。与此对应的，该实施例适用于工艺设定条件为共源端的测量。
在本发明的实施例中，该结构除可用于二维平面器件外还可以应用于三维器件如FinFET器件中。
如此，待测器件分布在测试结构两端，在测试结构工作之前，首先通过金属互连线互连第一待测器件(1)和第二待测器件(2)的源端(4)、(8)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)和第二待测器件(2)的漏端(5)、(7)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)和第二待测器件(2)的栅极(6)、(9)，如图1所示，构成并联的镜像待测试器件结构。
在本发明的另一个实施例中，在测试结构工作之前，首先通过金属互连线互连第一待测器件(1)和第二待测器件(2)的漏端(4)、(8)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)和第二待测器件(2)的源端(5)、(7)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)和第二待测器件(2)的栅极(6)、(9)，如图1所示，构成并联的镜像待测试器件结构。
如图2所示，本发明的传感器(3)插在了成镜像的待测器件(1)、(2)中间，由金属栅层(11)、SiO2绝缘层(12)以及体硅层(13)构成了类似于电容器的MIS器件。由金属(M)-绝缘体(I)-半导体(S)组成的体系称为MIS结构，以这种结构形成的器件称为MIS器件(MIS二极管)。如果其中的绝缘体是SiO2，则相应地为MOS结构和MOS二极管。
如图3所示，工作时，第一待测器件的栅极Gate1A和第二待测器件的栅极Gate3A通过金属互连线连接，第一待测器件的源极和第二待测器件的源极通过金属互连线连接，第一待测器件的漏极和第二待测器件的漏极通过金属互连线连接，传感器的栅极Gate2B端用金属线引出，测量Gate2B栅电流数据。本发明利用传感器件MIS结构，通过给栅端和漏端分别施加电压Vg和Vd，扫描传感器件栅极电流Ig，利用已测得的栅极电流与温度曲线(Ig-T)读取待测器件温度。
如图4所示，本发明还提供了上述结构的一种自热效应测试方法，包括如下步骤：
S1、关闭测试器件，预置传感器栅电压，校准传感器件；
S2、提取传感器的栅极电流与温度曲线(Ig-T)；如图5所示，测量得到的不同环境温度下器件的栅极电流特性，待测器件不加偏置，改变环境温度测量传感器件MIS结构的栅极电流特性。
S3、开启测试器件，即待测器件(1)、(2)，自加热至稳态，同时测量传感器栅极电流Ig’；优选的，在维持传感器件栅电压不变的前提下，开启自加热器件至稳态的同时扫描传感器件栅电流Ig’。
S4、参照传感器的栅极电流与温度曲线得到MIS结构的电流变化δIg和待测器件自热效应导致的温度变化δT；附图6示出了给定栅极偏置电压(Vg＝1V)下电流与温度的关系示意图。从测量得到的不同环境温度下器件的栅极电流特性可以得到在偏置电压为1V(或给定的特定偏置值)的栅极电流与温度的关系如图6所示。在测量待测器件的自热效应影响时，先将待测器件偏置到正常工作电压，然后在传感器件栅极施加一偏置电压使得MIS结构两端电压与等于1V(或给定的特定偏置值)测量此时的栅极电流，然后在图6中找到对应电流的温度点即可认为是此时传感器件的温度。即通过MIS结构的电流变化dIg可以得到待测器件自热效应导致的温度变化dT。
S5、获得测试器件的自热效应情况。
针对现有技术的可靠性差、准确性低、测试结构繁琐的缺点，本发明利用了三个相邻的MOSFET器件进行自热效应测试，两端MOS器件作为自加热器件，用金属互连线分别对自加热器件的源端、漏端互连构成镜像结构。中间MOS器件由于与两端MOS器件共源共漏，实际上等效成了MIS结构，作为传感器件进行热效应测试。通过提取传感器件栅极隧穿电流，利用栅电流与温度的正相关性，表征器件的自热效应，从而提高了测试的精确度和可信度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自热效应测试结构，其特征在于，该结构包括：
第一待测器件(1)、第二待测器件(2)、传感器(3)；所述第一待测器件(1)和第二待测器件(2)相对于传感器(3)呈镜像布置。
2.根据权利要求1所述的一种自热效应测试结构，其特征在于，
所述第一待测器件(1)包括第一端(4)、第二端(5)、第三端(6)，所述第二待测器件(2)包括第一端(8)、第二端(7)、第三端(9)。
3.根据权利要求2所述的一种自热效应测试结构，其特征在于，
第一待测器件(1)的第一端(4)与第二待测器件(2)的第一端(8)相对于传感器(3)呈镜像布置；第一待测器件(1)的第二端(5)与第二待测器件(2)的第二端(7)相对于传感器(3)呈镜像布置。
4.根据权利要求1或2所述的一种自热效应测试结构，其特征在于，
第一待测器件(1)、第二待测器件(2)均采用自热MOS器件。
5.根据权利要求3所述的一种自热效应测试结构，其特征在于，
所述第一待测器件(1)的第一端(4)为源极、第二端(5)为漏极、第三端(6)为栅极；第二待测器件(2)的第一端(8)为源极、第二端(7)为漏极、第三端(9)为栅极。
6.根据权利要求3所述的一种自热效应测试结构，其特征在于，
所述第一待测器件(1)的第一端(4)为漏极、第二端(5)为源极、第三端(6)为栅极；第二待测器件(2)的第一端(8)为漏极、第二端(7)为源极、第三端(9)为栅极。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种自热效应测试结构，其特征在于，
该结构可用于二维平面器件或三维器件。
8.根据权利要求7所述的一种自热效应测试结构，其特征在于，
所述传感器(3)包括金属栅层(11)、SiO2绝缘层(12)以及体硅层(13)。
9.一种自热效应测试方法，使用权利要求1-8任意一项所述的结构，其特征在于，在所述测试结构工作之前，首先通过金属互连线互连第一待测器件(1)的第一端(4)和第二待测器件(2)的第一端(8)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)的第二端(5)和第二待测器件(2)的的第二端(7)，通过金属互连线互连第一待测器件(1)的第三端(6)和第二待测器件(2)的的第三端(9)。
10.根据权利要求9所述的一种自热效应测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
关闭测试器件，预置传感器栅电压，校准传感器件；
提取传感器的栅极电流与温度曲线；
开启两个测试器件，维持传感器件栅电压不变，自加热至稳态，同时测量传感器栅极电流；
参照传感器的栅极电流与温度曲线得到传感器件的电流变化和待测器件自热效应导致的温度变化；
获得测试器件的自热效应情况。
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