CN112666440A - 阈值电压的测量方法以及晶圆测试机台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阈值电压的测量方法,包括如下步骤:在晶体管的栅极施加电压Vth0,源极与漏极之间施加一预设电压Vsd;测定源漏之间初始电流Id0;在所述晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta1;再次测定源漏之间的电流Id1;评估|Id1‑Icon|是否小于一预设误差值,所述Icon为恒定的归一化电流,若小于则记录Vth0‑Vdelta1为该晶体管的阈值电压,若大于,则再次在第二晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta2,所述Vdelta2的数值与Id1‑Icon呈一致性正相关。本发明考虑到测试获得的电流与归一化电流的数值关系,测试电流与归一化电流的差越大,则后续叠加的电压偏移就越大,两者呈一致性正相关,以使测试能够更迅速的逼近真实的阈值电压,提高了测试效率,有效降低相关测试时间。

Description

阈值电压的测量方法以及晶圆测试机台
技术领域
本发明涉及微电子学领域,尤其涉及一种阈值电压的测量方法以及晶圆测试机台。
背景技术
为了成功设计IC电路,必须对电路中的器件进行精确的表征与建模。如今使用CMOS制造的集成电路具有高速、集成度高、可靠性好等优点。但随着工艺的不断更新,越来越多的二阶效应与新工艺带来的变动为器件的测试带来了巨大的挑战。为了解决诸多关键参数与器件的测量测试时间与测试精度的矛盾,一般使用WAT(Wafer Acceptance Test)进行大批量的同类型测试。在对于MOS器件的测试中,阈值电压是其中重要的器件参数。
阈值电压(Vth,threshold voltage)指MOS器件沟道夹断点(强反型层形成)的栅极与源极的电压差,即Vgs;其意义为MOS器件由线性区转变为饱和区的切边点,对于电路设计具有十分重大的意义。一般的对于NMOS Vth>0,PMOS的Vth<0。为了方便表述,本文以NMOS为例,即Vth>0。
现有技术中一种阈值电压测量方法是在源端(Source端)使用0电位,因此Vgs=Vg;为获得阈值电压,测试通常使用一种恒定电流法的阈值电压定义方法,即Vth=Vg@(Id/(W/L)=Iconst)。上式中Vth为MOS的阈值电压,Vg为栅极电压,Id为漏极电流,W为MOS器件的宽,L为MOS器件的长,(W/L)有固定名称“宽长比”的定义,Iconst为指定的恒定电流(一般为厂商通过大量的实践与测试总结得出的特定值);全式意义为当Vg的电压施加后产生归一化漏极电流等于预定的恒定电流Iconst时,此时的Vg即为Vth。
由于电流需要Vg施加后才能产生,因此寻找阈值电压需要经历一段扫描的过程,当前主要是依靠二分查找法。执行过程通过预先设定误差值进行二分算法收敛得出结果,该算法收敛效率恒定,针对精度高的收敛点会花费很多时间进行细分,导致降低了测试效率。
当前主要使用二分查找法进行阈值电压搜索和提取,其效率较为低下,造成阈值电压测量时间过长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种阈值电压的测量方法以及晶圆测试机台,通过测试流程与算法优化,极大的提高了测试效率,能够有效降低相关测试时间。
为了解决上述问题,本发明提供了一种阈值电压的测量方法,包括如下步骤:在晶体管的栅极施加电压Vth0,源极与漏极之间施加一预设电压Vsd;测定源漏之间初始电流Id0;在所述晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta1;再次测定源漏之间的电流Id1;评估|Id1-Icon|是否小于一预设误差值,所述Icon为恒定的归一化电流,若小于则记录Vth0-Vdelta1为该晶体管的阈值电压,若大于,则再次在第二晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta2,所述Vdelta2的数值与Id1-Icon呈一致性正相关。
可选的,所述Vdelta2由下式决定:Vdelta2=(Id1-Icon)/((Id0-Id1)/Vdelta1)。
可选的,在所述晶体管的栅极叠加电压偏移Vdelta1的步骤,Vdelta1的符号可以选择为正或者负,以实现不同方向的偏压。
可选的,所述阈值电压的测量方法被应用在具有多个晶体管的测试环境中,在初始步骤中,晶体管的极施加电压Vth0,取值为前一次对临近晶体管测试所测得的阈值电压。
本发明还提供了一种晶圆测试机台,包括中央处理单元、电信号施加单元和电信号读取单元,上述单元被配置为实施如下步骤:在晶体管的栅极施加电压Vth0,源极与漏极之间施加一预设电压Vsd;测定源漏之间初始电流Id0;在所述晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta1;再次测定源漏之间的电流Id1;评估|Id1-Icon|是否小于一预设误差值,所述Icon为恒定的归一化电流,若小于则记录Vth0-Vdelta1为该晶体管的阈值电压,若大于,则再次在第二晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta2,所述Vdelta2的数值与Id1-Icon呈一致性正相关。
可选的,所述Vdelta2由下式决定:Vdelta2=(Id1-Icon)/((Id0-Id1)/Vdelta1)。
可选的,在所述晶体管的栅极叠加电压偏移Vdelta1的步骤,Vdelta1的符号可以选择为正或者负,以实现不同方向的偏压。
可选的,所述阈值电压的测量方法被应用在具有多个晶体管的测试环境中,在初始步骤中,晶体管的极施加电压Vth0,取值为前一次对临近晶体管测试所测得的阈值电压。
本发明考虑到测试获得的电流与归一化电流的数值关系,测试电流与归一化电流的差越大,则后续叠加的电压偏移就越大,两者呈一致性正相关,以使测试能够更迅速的逼近真实的阈值电压,提高了测试效率,有效降低相关测试时间。
附图说明
附图1所示是本发明一具体实施方式的实施步骤示意图。
附图2所示是上述具体实施方式中采用的一公式的原理图。
附图3是作为对比给出的现有技术中阈值电压的搜索原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的阈值电压的测量方法以及晶圆测试机台的具体实施方式做详细说明。
步骤S10,在晶体管的栅极施加电压Vth0,源极与漏极之间施加一预设电压Vsd。此步骤中,一般会取贴近阈值电压点的初值或其他任意值。例如在一个具体实施方式中,可以取晶体管工作电压Vdd的一半,即Vdd/2作为初始测试用的阈值电压。如果是被应用在具有多个晶体管的测试环境中,考虑到临近晶体管的参数一般趋于一致,因此还会采用前一次对临近晶体管测试所测得的阈值电压作为本次测试的初始值。而源漏之间的预设电压Vsd可以是0.05V~0.1V,也可以是晶体管工作电压Vdd,也可以是依据不同测试要求对应设定不同的电压值。
步骤S11,测定源漏之间初始电流Id0。这一电流作为本次测试的初始值,需要被记录。
步骤S12,在所述晶体管的栅极叠加电压偏移Vdelta1。该偏移即可以为正,也可以为负。偏移的方向由电压偏移Vdata1的符号决定。该偏移量优选为测试机台所允许的最小步长,以提高测试精度。在栅极叠加电压偏移的情况下,源漏之间的电压应当优选为保持不变。
步骤S13,再次测定源漏之间的电流Id1。这一电流作为本次测试的第二个电流值,需要被记录。
步骤S14,评估|Id1-Icon|是否小于一预设误差值,所述Icon为恒定的归一化电流。Icon=Iconst*(W/L),W为MOS器件的宽,L为MOS器件的长,(W/L)有固定名称“宽长比”的定义,Iconst为指定的恒定电流(一般为厂商通过大量的实践与测试总结得出的特定值)。预设误差值一般是晶圆测试中可接受的误差值,由提出测试要求一方根据需求给出。
若结果是小于预设误差值,则认为随着电压的变化,电流是不变的,因此可以记录Vth0-Vdelta1为该晶体管的阈值电压。即测试完成并转入下一个临近晶体管的测试。在一个具体实施方式中,如果是被应用在具有多个晶体管的测试环境中,考虑到临近晶体管的参数一般趋于一致,因此还会采用本次所测得的阈值电压作为下一个临近晶体管测试的初始电压。
反之,若结果是大于预设误差值,则需要返回步骤S12再次实施测试。并且在返回测试之后,需要改变电压偏移量,即在晶体管的漏极叠加电压偏移Vdelta2。如果仍然按照与之前的Vdetla1的数值相等来设定Vdelta2,会导致步长过小,可能需要多次测试才能够逼近真实的阈值电压值。因此本具体实施方式所采用的方法是考虑到Id1-Icon的数值,测试电流与归一化电流的差越大,则需要叠加的电压偏移就越大,即所述Vdelta2的数值与Id1-Icon的数值呈一致性正相关。作为优选的实施方式,可以将两者的关系定量为:
Vdelta2=(Id1-Icon)/((Id0-Id1)/Vdelta1)。
附图2所示是上述公式的原理图。附图3是作为对比给出的现有技术中阈值电压的搜索原理图。可见本具体实施方式所提供的方法明显降低了遍历次数,能够更快的逼近真实阈值电压。在其他的具体实施方式中,也可以对上述公式做出系数的修正或者算法的微调,以根据晶体管的实际情况获得更精确的调节方式。
在另一个具体实施方式中,提供一晶圆测试机台,包括中央处理单元、电信号施加单元和电信号读取单元,上述单元被配置为实施上述步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,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 (8)

1.一种阈值电压的测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
在晶体管的栅极施加电压Vth0,源极与漏极之间施加一预设电压Vsd;
测定源漏之间初始电流Id0;
在所述晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta1;
再次测定源漏之间的电流Id1;
评估|Id1-Icon|是否小于一预设误差值,所述Icon为恒定的归一化电流,若小于则记录Vth0-Vdelta1为该晶体管的阈值电压,若大于,则再次在晶体管的栅极叠加电压偏移Vdelta2,所述Vdelta2的数值与Id1-Icon呈一致性正相关。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述Vdelta2由下式决定:
Vdelta2=(Id1-Icon)/((Id0-Id1)/Vdelta1)。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述晶体管的栅极叠加电压偏移Vdelta1的步骤,Vdelta1的符号可以选择为正或者负,以实现不同方向的偏压。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述阈值电压的测量方法被应用在具有多个晶体管的测试环境中,在初始步骤中,晶体管的极施加电压Vth0,取值为前一次对临近晶体管测试所测得的阈值电压。
5.一种晶圆测试机台,包括中央处理单元、电信号施加单元和电信号读取单元,其特征在于,上述单元被配置为实施如下步骤:
在晶体管的栅极施加电压Vth0,源极与漏极之间施加一预设电压Vsd;
测定源漏之间初始电流Id0;
在所述晶体管的栅极均叠加电压偏移Vdelta1;
再次测定源漏之间的电流Id1;
评估|Id1-Icon|是否小于一预设误差值,所述Icon为恒定的归一化电流,若小于则记录Vth0-Vdelta1为该晶体管的阈值电压,若大于,则再次在晶体管的栅极叠加电压偏移Vdelta2,所述Vdelta2的数值与Id1-Icon呈一致性正相关。
6.根据权利要求5所述的晶圆测试机台,其特征在于,所述Vdelta2由下式决定:
Vdelta2=(Id1-Icon)/((Id0-Id1)/Vdelta1)。
7.根据权利要求5所述的晶圆测试机台,其特征在于,在所述晶体管的栅极叠加电压偏移Vdelta1的步骤,Vdelta1的符号可以选择为正或者负,以实现不同方向的偏压。
8.根据权利要求5所述的晶圆测试机台,其特征在于,所述阈值电压的测量方法被应用在具有多个晶体管的测试环境中,在初始步骤中,晶体管的极施加电压Vth0,取值为前一次对临近晶体管测试所测得的阈值电压。
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