CN110658436A - 一种在射频应力下mos晶体管性能退化的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，包括步骤：在确定的射频应力条件和直流应力条件下进行MOS晶体管的退化实验，得到不同应力条件下的1/f噪声曲线以及直流参数、射频参数的数据，提取不同应力条件和应力时间下1/f噪声参数的退化程度，并做出相应曲线；对比射频应力下的结果与直流应力下的结果，以此表征射频应力和直流应力对MOS晶体管的影响程度。本发明通过对射频应力后的结果与直流应力后相对比，可以得到不同应力对MOS晶体管的损伤情况。

Description

一种在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法
技术领域
本发明涉及半导体测试技术领域，特别是涉及一种在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法。
背景技术
金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOS晶体管)由于热稳定性好、安全工作区大、开关速度快等优点在集成电路中广泛使用，因此MOS晶体管的可靠性对集成电路芯片的可靠性将产生直接影响。
针对MOS晶体管退化的表征方法通常是基于在恒定直流偏置应力和低频交流应力条件下进行加速应力测试，然后对MOS晶体管的电性能参数退化程度进行表征。此表征方法存在不足：首先，直流应力条件并不能覆盖MOS晶体管的真实工作条件，而且针对MOS晶体管在射频应力条件下的性能退化研究不足；其次，现有对MOS晶体管退化的表征，主要集中在对电性能参数以及S参数、高频相位噪声等参数退化的表征，而对1/f噪声参数的研究不足。
随着MOS晶体管器件特征尺寸的缩小，1/f噪声会大大增加，所以半导体器件中低频噪声(1/f噪声)的影响非常重要。高频相位噪声也会受到低频1/f噪声的强烈影响，如通过向上转换的方式增加相位噪声；另一方面，1/f噪声与常用的电参数、射频参数相比，1/f噪声参数的分析表征能更加直观和精确地反应器件的退化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种区别于现有直流应力后对传统的电性能参数进行表征的方法，在射频应力下对MOS晶体管性能退化的表征方法，以进一步研究射频应力对MOS晶体管的影响，通过获取1/f噪声参数在射频应力前后的数据，得到1/f噪声随应力时间的退化程度，做出1/f噪声退化程度随应力时间变化的曲线，以该曲线和噪声退化程度对MOS晶体管性能退化进行表征，采用射频应力后对1/f噪声退化程度进行表征的方法对MOS晶体管的退化程度进行研究。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，包括以下步骤：
在确定的射频应力条件和直流应力条件下进行MOS晶体管的退化实验，得到不同应力条件下的1/f噪声曲线以及直流参数、射频参数的数据，提取不同应力条件和应力时间下1/f噪声参数的退化程度，并做出相应曲线；
对比射频应力下的结果与直流应力下的结果，以此表征射频应力和直流应力对MOS晶体管的影响程度。
进一步的，在进行MOS晶体管的退化实验前，还包括以下步骤：
获取MOS晶体管的直流参数，包括漏极击穿电压、阈值电压，以及射频参数，包括S参数，并测量MOS晶体管的1/f噪声；
根据MOS晶体管的漏极击穿电压和阈值电压，得到直流应力实验的漏极应力电压及对应的栅极应力电压的取值范围；
根据漏极应力电压及其对应的栅极应力电压，确定射频应力的直流偏置条件以及输入功率，得到射频应力的应力条件。
其中，将MOS晶体管置于探针台上，源极、衬底接地，通过半导体参数分析仪对MOS晶体管栅极和漏极施加电压，得到漏极击穿电压、阈值电压。
其中，通过矢量网络分析仪测量MOS晶体管的射频参数，包括S参数。
其中，所述直流应力实验的漏极应力电压设置最大不超过漏极击穿电压的90％，直流应力条件包括最大衬底电流应力和高栅极偏置应力。
其中，根据MOS晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线，得到射频应力的应力电压条件。
本发明首先增加了MOS晶体管射频应力加速退化实验条件，对MOS晶体管加速退化实验条件进行了补充；其次通过表征1/f噪声参数退化，更加直观和精确地分析器件的退化；另一方面，通过对射频应力后的结果与直流应力后相对比，可以得到不同应力对MOS晶体管的损伤情况。
附图说明
图1为本发明的在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法的流程图；
图2为1/f噪声参数测试的测试电路原理图；
图3为本发明的应力加速实验的实验方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是通过获取MOS晶体管的1/f噪声参数(即闪烁噪声参数,以噪声功率谱密度曲线的方式呈现)在射频应力前后的数据，得到1/f噪声随应力时间的退化程度，做出1/f噪声退化程度随应力时间变化的曲线，以该曲线和噪声退化程度对MOS晶体管性能退化进行表征。
更进一步的，是通过获取选用MOS晶体管的1/f噪声曲线以及漏极击穿电压等性能参数；确定施加应力的电压值、应力时间等参数；对选用的MOS晶体管进行热载流子退化实验，得到施加不同应力条件后的1/f噪声曲线；对应力施加前后的1/f噪声和其他性能参数进行对比研究，表征1/f噪声随应力时间的退化程度等数据的。
如图1所示，本发明的所述在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，具体的通过以下的步骤实现：
S1.获取MOS晶体管的直流参数及射频参数。
具体的是，是将被测器件置于探针台上，源极、衬底接地，通过半导体参数分析仪对被测器件栅极和漏极施加电压，得到漏极击穿电压、阈值电压等直流参数；通过矢量网络分析仪测量、获取MOS晶体管的射频参数，包括S参数等。
S2.测量MOS晶体管的1/f噪声，得到MOS晶体管在不同栅极电压下的输出特性曲线。为了排除在测量过程中栅极和漏极的电压产生的退化影响，漏极应提供远低于MOS晶体管正常工作所需的电压，测试连接如图2所示；
S3.根据测试获得MOS晶体管的漏极击穿电压和阈值电压，得到直流应力实验的漏极应力电压及对应的栅极应力电压的取值范围。
其中，在确定实际击穿电压后，根据实际击穿的电压确定漏极应力电压的最大值，具体可以是最大漏极应力电压设置不超过漏极实际击穿电压的90％；根据最大衬底电流的方法，确定漏极应力电压对应的栅极应力电压，构成一组直流应力条件。
具体实施时，选定两个及以上的直流应力条件，其中包括最大衬底电流应力和高栅极偏置应力条件。
S4.根据MOS晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线，得到射频应力的应力电压条件；具体是，根据漏极应力电压及其对应的栅极应力电压，确定射频应力的直流偏置条件以及输入功率，射频应力的频率取值区间在1-50GHz，由此得到射频应力的应力条件；
S5.在射频应力条件和直流应力条件下进行MOS晶体管的退化实验，得到不同应力条件下的1/f噪声曲线，以及直流参数和射频参数的数据。实验采取应力与测试间隔交替的方式进行，如图3所示；
S6.根据应力前后晶体管的1/f噪声以及直流参数和射频参数的数据，提取不同应力条件和应力时间下1/f噪声参数的退化程度，并做出相应曲线；分别对直流应力和射频应力条件下针对某一频率下的1/f噪声退化程度随应力时间的变化进行数据表征，得到相应图像；并将射频应力下的1/f噪声参数结果与直流应力下的结果进行对比，以此对射频应力和直流应力对MOS晶体管的影响程度进行表征。
本发明的上述射频应力对MOS晶体管1/f噪声参数退化的表征方法，通过在MOS晶体管的漏极应力电压取值范围内，选取射频应力和直流应力条件，进行MOS晶体管的加速退化实验，然后根据实验前后的1/f噪声曲线，计算并做出在不同射频应力和直流应力条件下1/f噪声的退化程度随应力时间变化的数据及曲线。
需要说明的是，在进行1/f噪声参数退化实验中，如果实验次数过少或者选定的实验条件不足，可能会导致实验数据不准确，本实施例在实验应力条件的选择上，选择的是两种以上应力条件。具体实施时，射频应力可采用3个应力条件，针对5个MOS晶体管进行实验，以保证数据的准确性和丰富性。
如选择5个未受过应力的MOS晶体管，测量每个晶体管的初始参数和1/f噪声曲线后，根据上述设定的应力条件进行直流应力测试和射频应力测试，记录应力时间、直流参数、射频参数和1/f噪声。实验结束后，采取相同应力时间下不同应力条件的1/f噪声退化的方法表征数据，然后针对某一频率下的1/f噪声退化随应力时间做出相应曲线。
需要说明的是，本发明中，进行数据表征和建模的过程中，可有两种方式表征和评估1/f噪声的退化。其一是设定固定的应力时间，表征不同应力条件下1/f噪声的退化程度数据；另一种是设定1/f噪声参数产生的退化精度值，表征不同应力条件下达到预设退化标准所需的应力时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
在确定的射频应力条件和直流应力条件下进行MOS晶体管的退化实验，得到不同应力条件下的1/f噪声曲线以及直流参数、射频参数的数据，提取不同应力条件和应力时间下1/f噪声参数的退化程度，并做出相应曲线；
对比射频应力下的结果与直流应力下的结果，以此表征射频应力和直流应力对MOS晶体管的影响程度。
2.根据权利要求1所述在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，其特征在于，在进行MOS晶体管的退化实验前，还包括以下步骤：
获取MOS晶体管的直流参数，包括漏极击穿电压、阈值电压，以及射频参数，包括S参数，并测量MOS晶体管的1/f噪声；
根据MOS晶体管的漏极击穿电压和阈值电压，得到直流应力实验的漏极应力电压及对应的栅极应力电压的取值范围；
根据漏极应力电压及其对应的栅极应力电压，确定射频应力的直流偏置条件以及输入功率，得到射频应力的应力条件。
3.根据权利要求2所述在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，其特征在于，将MOS晶体管置于探针台上，源极、衬底接地，通过半导体参数分析仪对MOS晶体管栅极和漏极施加电压，得到漏极击穿电压、阈值电压。
4.根据权利要求2所述在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，其特征在于，通过矢量网络分析仪测量MOS晶体管的射频参数，包括S参数。
5.根据权利要求2所述在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，其特征在于，所述直流应力实验的漏极应力电压设置最大不超过漏极击穿电压的90％，直流应力条件包括最大衬底电流应力和高栅极偏置应力。
6.根据权利要求2所述在射频应力下MOS晶体管性能退化的表征方法，其特征在于，根据MOS晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线，得到射频应力的应力电压条件。
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