CN114636908A - 一种改进的经时击穿测试方法 - Google Patents

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杨建业
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Abstract

本发明公开了一种改进的经时击穿测试方法，应用于半导体参数分析仪，所述半导体参数分析仪连接有待测器件，所述方法包括：步骤1：按照预设参数和预设测试规则，对待测器件进行经时击穿测试，以获取测试过程中的输出特性变化曲线和转移特性变化曲线；步骤2：基于转移特性曲线，得到阈值电压和跨导曲线；步骤3：通过中带电压法，提取得到氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量；步骤4：根据所述氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量，确定氧化层电荷密度值和界面态电荷密度值。本发明能够提取待测器件内部的氧化层电荷和界面态电荷的变化情况，以对待测器件进行后续精准的质量评估。

Description

一种改进的经时击穿测试方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种改进的经时击穿测试方法。
背景技术
经时击穿(TDDB,Time Dependent dielectric breakdown)是一种与时间相关的电介质击穿。区别于瞬时击穿，经时击穿是一种发生在MOS器件栅电容结构中，当在栅极施加高于额定工作电压而低于本征击穿电压时，且经过一段时间后仍然发生击穿的效应。经时击穿常用于评估栅氧化层的可靠性。
现有技术中，对于MOS电容的TDDB测试，通常是基于恒定电压法对器件进行加速应力测试，具体的，通过对栅极施加恒定的电压应力，检测MOS栅电容结构的泄露电流(SILC,Stress Induced Leakage Current)的大小变化来判断器件是否发生击穿。当MOS栅电容结构发生击穿时，其电阻阻值将会突然变小，在恒定的栅压下流过栅介质的电流将会增加。通过现有技术该测试方法，能够得到的数据包括：每一个待测器件的TDDB加速寿命和SILC的变化情况，进一步地，通过寿命预测模型对这些数据进行拟合，以得到器件正常工作状态下的寿命。
但是，器件的失效是由多种原因造成的，现有的上述测试方法只能得到一个宏观的统计结果，通过试验进行事后筛选，无法基于该宏观统计结果对器件的失效原因进行追溯，不能够从根本上提高器件的可靠性，以对器件继续后续完善工作。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种改进的经时击穿测试方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种改进的经时击穿测试方法，应用于半导体参数分析仪，所述半导体参数分析仪连接有待测器件，所述方法包括：步骤1：按照预设参数和预设测试规则，对待测器件进行经时击穿测试，以获取测试过程中的输出特性变化曲线和转移特性变化曲线；步骤2：基于转移特性曲线，得到阈值电压和跨导曲线；步骤3：通过中带电压法，提取得到氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量；步骤4：根据所述氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量，确定氧化层电荷密度值和界面态电荷的密度值。
在本发明的一个实施例中，所述步骤1之前，所述方法还包括：对待测器件进行预测试，将待测器件划分为异常待测器件和正常待测器件；获取正常待测器件对应的载流子迁移率、宽长比、本征载流子浓度和沟道掺杂浓度。
在本发明的一个实施例中，所述预设参数包括：沟道电流-漏极电压扫描参数、沟道电流-栅极电压扫描参数、经时击穿应力电压参数、应力时间参数、采样间隔参数。
本发明的有益效果：
本发明能够提取待测器件内部的氧化层电荷和界面态电荷的变化情况，以对待测器件进行后续精准的质量评估。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种改进的经时击穿测试方法示意图；
图2是本发明实施例提供的一种改进的经时击穿测试系统结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种预设测试规则流程示意图；
图4a-4b是本发明中利用中带电压法提取氧化层电荷和界面态电荷的示意图；
图5a-5c是基于本发明实测得到的敏感参数变化结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种改进的经时击穿测试方法示意图，应用于半导体参数分析仪，所述半导体参数分析仪连接有待测器件，所述方法包括：
步骤1：按照预设参数和预设测试规则，对待测器件进行经时击穿测试，以获取测试过程中的输出特性变化曲线和转移特性变化曲线。
可选的，所述步骤1之前，所述方法还包括：
步骤S1：对待测器件进行预测试，将待测器件划分为异常待测器件和正常待测器件。
所述预测试，如测试器件初始I-V特性曲线，使用NMOS场效应晶体管的工作电压为3.3V，将VD和VG设定为3.3V，得到器件初始输出特性曲线和转移特性曲线，剔除失效待测器件，保留正常待测器件。
步骤S2：获取正常待测器件对应的载流子迁移率、宽长比、本征载流子浓度和沟道掺杂浓度。
可选的，所述预设参数包括：沟道电流-漏极电压扫描参数、沟道电流-栅极电压扫描参数、经时击穿应力电压参数、应力时间参数、采样间隔参数。
图2是本发明实施例提供的一种改进的经时击穿测试系统结构示意图，其中，半导体参数分析仪通过三同轴电缆、探针与待测器件(晶体管)的栅端、漏端、源端、衬端连接；所述半导体参数分析仪中包括I-V扫描模块、V-t抽样模块和功能模块。
所述I-V扫描模块设置有沟道电流-漏极电压(Id-Vg)扫描参数、沟道电流-栅极电压(Id-Vd)扫描参数。所述V-t抽样模块设置有经时击穿应力参数。所述功能模块中包括预设函数。
本发明以B1500A半导体参数分析仪进行举例说明，但不局限于此，B1500A是模块化的结构，基于Keysight EasyEXPERT group+图形用户界面的表征软件，能够在从测量设置和执行到结果分析和数据管理整个表征过程实现高效和可重复的器件表征，本发明能够在半导体参数仪中内置Id-Vg、Id-Vd、等CMOS晶体管参数测试应用程序，基于设计好的测试方案，调用并调整应用程序的参数，利用功能模块编写函数计算待测器件的阈值电压、跨导曲线以及中带电流、中带电压，然后利用quick test程序将设计好的应用程序组成测试序列对待测器件完成应力测试。
示例如，1、在B1500A半导体参数分析仪中设定Id-Vg曲线扫描参数：在B1500A配套的测试软件中调用I-V扫描模块，将Vd、Vs和Vb设定常量，将Vg设定为第一扫描变量，设定适当的步长和范围并保存；2、在B1500A配套的测试软件中调用I-V扫描模块，将Vs和Vb设定为常量，将Vd设定为第一扫描变量，将Vg设定为第二扫描变量，设定适当的扫描步长和范围并保存；3、在B1500A配套的测试软件中调用V-t抽样模块，将Vd(漏极电压)、Vs(源极电压)、Vb(衬底电压)设置为常量，Vg设定为一较高的加速应力电压，并设定击穿条件以使测试程序在待测器件击穿后自动停止测试。4、根据功能模块中的预设函数，对转移特性变化曲线进行后续计算，以在测试Id-Vg曲线的同时得到待测器件在测试时刻的阈值电压和跨导曲线，以及计算得到中带电流，并基于中带电压法提取ΔVot(氧化层电荷变化量)、ΔVit(界面态电荷变化量)。
参见图3，图3是本发明实施例提供的一种预设测试规则流程示意图，流程步骤包括：设置预设参数；对待测器件施加经时击穿应力；判断所述待测器件是否发生击穿；当所述待测器件发生击穿时，记录击穿时间信息，并停止施加经时击穿应力；或者，当所述待测器件未发生击穿时，继续施加经时击穿应力，直至到达预设时间点，停止施加经时击穿应力，并获取测试过程中的输出特性变化曲线和转移特性变化曲线。
示例如，在每个数量级时间段内取样3次，如0s，30s，100s，300s，1000s，直到样品击穿或者达到设定时间的最大值。在每个采样时间点暂时撤去应力，进行I-V特性测试，并计算阈值电压和跨导。测试转移特性曲线如图5(a)、跨导曲线如图5(b)。从图5中可以看出随着应力时间的增加，虽然器件的阈值电压升高，但是亚阈值斜率变小，同时输出功率降低。
步骤2：基于转移特性曲线，得到阈值电压和跨导曲线。
可选的，所述步骤2包括：
步骤2-1：基于转移特性曲线，计算阈值电压，表示为：
Figure BDA0003494605890000051
其中，Von为转移特性曲线中斜率最大处切线与x轴的交点横坐标值，Vd为漏极电压。
步骤2-2：计算跨导曲线，表示为：
Figure BDA0003494605890000061
其中，Vg表示栅极电压。
步骤3：通过中带电压法，提取得到氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量。
可选的，所述步骤3包括：
步骤3-1：通过中带电压法，提取中带电流，表示为：
Figure BDA0003494605890000062
Img为中带电流，μB为载流子迁移率，
Figure BDA0003494605890000063
为待测器件宽长比，常数
Figure BDA0003494605890000064
Figure BDA0003494605890000065
εSi与εOX分别表示Si和SiO2的介电常数，d表示氧化层厚度，Ld表示德拜长度，COX为单位面积栅电容，
Figure BDA0003494605890000066
Ni和ND分别为Si本征载流子浓度和沟道掺杂浓度，
Figure BDA0003494605890000067
为Si的表面势。
步骤3-2：基于所述中带电流，确定中带电压Vmg。
具体的，本发明延长I-V亚阈曲线，找到相应的电压点，如图4(a)所示，即可得到中带电压Vmg。
步骤3-3：基于中带电压变化量，确定氧化层电荷变化量ΔVot，表示为：
ΔVot＝ΔVmg；
氧化层电荷变化量，又称，氧化层电荷引起的电位差变化量。
步骤3-4：基于阈值电压变化量和氧化层电荷变化量，确定界面态电荷变化量ΔVit，表示为：
ΔVit＝ΔVth-ΔVot；
界面态电荷变化量，又称，界面态电荷引起的电位差变化量。
最终得到氧化层电荷和界面态电荷随经时击穿应力变化的变化量。从图4(b)可以看出，随着应力时间的增加，待测器件的阈值电压以及由于氧化层电荷和界面态电荷所导致的电压漂移分离都不断增加，NMOS场效应晶体管的界面态电荷和氧化层电荷同时增加。而这些电压漂移分量与对应的电荷密度呈正比，通过这种方法能够提取器件在应力过程中氧化层内部的电荷变化以及I-V特性曲线的变化、跨导曲线变化。
步骤4：根据所述氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量，确定氧化层电荷密度值和界面态电荷密度值。
可选的，所述步骤4包括：
根据所述氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量，确定氧化层电荷密度值ΔNot和界面态电荷密度值ΔNit，表示为：
ΔNot＝(COX/q)|ΔVot|，
ΔNit＝(COX/q)|ΔVit|，
其中，COX表示单位面积氧化层电容，q表达电荷量。
综上，本发明有益效果：
本发明能够获取测试过程中待测器件的各项特性曲线，因此，能够精准快速地获得更多的栅介质损伤信息；以及基于中带电压法，从待测器件的I-V特性曲线中提取得到氧化层电荷和界面态电荷的变化曲线，从而本发明能够对待测器件进行后续精准的质量评估，如对待测器件进行失效分析等。
另外，本发明提供的一种改进的经时击穿测试方法具有较好的兼容性，可以适用于多种不同结构的器件或者不同导电类型的器件，同时兼容B1500A、HP4156B、4200A-SCS等半导体参数分析仪。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种改进的经时击穿测试方法，其特征在于，应用于半导体参数分析仪，所述半导体参数分析仪连接有待测器件，所述方法包括：
步骤1：按照预设参数和预设测试规则，对待测器件进行经时击穿测试，以获取测试过程中的输出特性变化曲线和转移特性变化曲线；
步骤2：基于转移特性曲线，得到阈值电压和跨导曲线；
步骤3：通过中带电压法，提取得到氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量；
步骤4：根据所述氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量，确定氧化层电荷密度值和界面态电荷密度值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1之前，所述方法还包括：
对待测器件进行预测试，将待测器件划分为异常待测器件和正常待测器件；
获取正常待测器件对应的载流子迁移率、宽长比、本征载流子浓度和沟道掺杂浓度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设参数包括：沟道电流-漏极电压扫描参数、沟道电流-栅极电压扫描参数、经时击穿应力电压参数、应力时间参数、采样间隔参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2-1：基于转移特性曲线，计算阈值电压，表示为：
Figure FDA0003494605880000011
其中，Von为转移特性曲线中斜率最大处切线与x轴的交点横坐标值，Vd为漏极电压；
步骤2-2：计算跨导曲线，表示为：
Figure FDA0003494605880000021
其中，Vg表示栅极电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3-1：通过中带电压法，提取中带电流，表示为：
Figure FDA0003494605880000022
Img为中带电流，μB为载流子迁移率，
Figure FDA0003494605880000023
为待测器件宽长比，常数
Figure FDA0003494605880000024
Figure FDA0003494605880000025
εSi与εOX分别表示Si和SiO2的介电常数，d表示氧化层厚度Ld表示德拜长度，COX为单位面积栅电容，
Figure FDA0003494605880000026
Ni和ND分别为Si本征载流子浓度和沟道掺杂浓度，
Figure FDA0003494605880000027
为Si的表面势；
步骤3-2：基于所述中带电流，确定中带电压Vmg；
步骤3-3：基于中带电压变化量，确定氧化层电荷变化量ΔVot，表示为：
ΔVot＝ΔVmg；
步骤3-4：基于阈值电压变化量和氧化层电荷变化量，确定界面态电荷变化量ΔVit，表示为：
ΔVit＝ΔVth-ΔVot。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：
根据所述氧化层电荷变化量和界面态电荷变化量，确定氧化层电荷密度值ΔNot和界面态电荷密度值ΔNit，表示为：
ΔNot＝(COX/q)|ΔVot|，
ΔNit＝(COX/q)|ΔVit|，
其中，COX表示单位面积氧化层电容，q表达电荷量。
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