CN1588104A - Mos器件热载流子注入效应测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种MOS器件热载流子注入效应测量方法，首先根据标准用测量仪确定待测器件的漏、栅极的应力电压值；然后用测量仪测量每个器件的初始参数值，并用自行编制的数据记录程序记下初始数据；接着将待测器件放入电路板的插座中，同时给待测器件的漏、栅极施加应力电压；在10秒、20秒、50秒后等时间点处关断应力电压，将MOS管分别从电路板上拨下，用测量仪上快速测量指定参数的退化量并记录下来；一次测量记录完毕以后，将所有的MOS管插回原来的电路板插座上，再加上相应的电压应力至下一个时间节点处停止应力，将MOS管分别从电路板上拨下，在测量仪上测量与记录退化的数据，如此反复，直到退化量达到需要的目标值时为止，测量仪仅起数据记录与测量作用。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种测量方法，尤其是指一种用于测量亚微米和深亚微米集成电路中MOS器件热载流子注入效应的测量方法。
【背景技术】
在现代亚微米和深亚微米集成电路中，热载流子注入效应是MOSFET的一个重要失效机理。高能载流子，也称为热载流子，产生于MOSFET管的漏极的大沟道电场，这个沟道电场会加速热载流子，使其有效温度高于晶格的温度。这些热载流子通过声子发射把能量传递给晶格，这会造成在Si/SiO2界面处能键的断裂，热载流子也会注入到SiO2中而被俘获。键的断裂和被俘获的载流子会产生氧化层电荷和界面态，这会影响沟道载流子的迁移率和有效沟道势能。能量达到甚至超过SiO2-Si势垒(3.2eV)便会注入到SiO2中去，当能量等于或大于4.2eV时就会打断共价键而产生界面陷阱，这就是热载流子注入效应。
现有MOS器件热载流子注入效应的测量方法，一般会采用美国Keithley公司生产的4200-SCS测量仪或Agilent生产的HP4155A及以上系列的半导体参数测量仪。
Keithley公司生产的4200-SCS测量仪是一台测量精度很高的自动测量设备，标准的Windows操作系统，通过在被测器件上施加电流、电压应力，被测器件的I-V特性、ID-VD特性曲线、阈值电压、跨导等测量数据以EXCEL电子表格或文本形式输出，内置的公式编辑、图表功能可以将复杂的分析简化，可以进行一些基本的数据处理，以图表形式显示计算结果。使用4200-SCS测量仪的测量方法按如下步骤进行：
步骤A：从4200-SCS测量仪的器件库中选择一个器件图形，根据标准确定器件的漏、棚极的应力条件；
步骤B：换上被测器件，对各个管脚上施加的应力进行定义，确定器件所受的应力条件；
步骤C：单击4200-SCS测量仪屏幕上的运行键，4200-SCS测量仪开始测量，并可看到实时测量图形；
步骤D：测量数据以EXCEL电子表格或文本形式存贮在4200-SCS测量仪的磁盘上，然后进行数据分析与参数的提取。
测量数据的威布尔分布或对数正态分布涉及复杂的数学计算，不能通过简单的变量运算得出结果，4200-SCS测量仪不能进行此类数据特性的处理，需要采用专用的可靠性数据处理软件分析测量数据的统计分布特性。
这种使用4200-SCS测量仪的测量方法有一个很大的缺陷在于：该测量方法一次能同时测量的器件数量很少。即使配合4200-SCS测量仪内置的开关阵列一次最多也只有同时测量20个器件，对于超过20个器件的测量则需要分批测量，这样将会花费较长的时间。
而且，4200-SCS测量仪在测量过程中一旦发生意外而中止，被测器件则不能够再次使用，在此之前测量的数据也可能丢失。
另外，加速应力条件下的测量往往电流值较大，根本不需要很高的测量精度，而4200-SCS测量仪因其测量精度很高而导致其售价很高，进而导致该使用4200-SCS测量仪的测量方法成本较高。
Agilent公司生产的HP4155A及以上系列半导体参数测量仪，DOS操作系统，带有一个测试盒，并带有4至6路电压源/电流源。使用HP4155A半导体参数测量仪的测量方法按如下步骤进行：
步骤A：根据标准用HP4155A确定器件的漏、栅极的电压值；
步骤B：编辑热载流子退化测量程序，填写各个管脚上施加的应力值，确定器件所受的应力条件，应力设置完成后存盘退出；
步骤C：换上被测器件，在HP4155A半导体参数测量仪的面板上按DISPLAY键2次，显出程序运行界面，按GET键然后键入程序名，在HP4155A上调出软盘上的BASIC语言编写的热载流子退化测量程序；
步骤D：单击屏幕上的RUN键后，HP4155A半导体参数测量仪开始进行测量，并在显示屏上显示时间节点处的参数退化图形，整个测量过程均在HP4155A半导体参数测量仪上进行；
步骤E：测量数据以文本形式记录下来，需要在工作电脑上进行数据分析与参数的提取。
同样，测量数据的威布尔分布或对数正态分布涉及复杂的数学计算，不能通过简单的变量运算得出结果，HP4155A及以上系列半导体参数测量仪中不能进行此类数据特性的处理，需要采用专用的可靠性数据处理软件分析测量数据的统计分布特性。
但是，这种使用HP4155A及以上系列半导体参数测量仪的测量方法同样存在一个很大的缺陷就是，一次只能测量一个器件。
对于多个器件的测量，Agilent公司提供了一种测量方法，就是利用6626A电源、E5250A开关阵列和HP4155B半导体参数测量仪三个设备搭建成一个测量系统，最多可同时测量128个MOS器件。但是，因为E5250A开关阵列的开关输入/输出端口是三芯电缆连接口，加到MOS器件上的电压从E5250A开关阵列中输出后，经过三芯电缆，送到一块电缆转换板上，经过连接线转换后，再送至与MOS器件相对应的插座上，因此还得额外定制一个机柜，用于固定电缆转换板和放置MOS器件的插座，使得相应的应力电压能够加到对应的MOS器件的管脚上。所以这种测量方法所使用的测量系统，搭建很繁琐而且成本较高，在实践中难以使用。而且，由于连接线较多，在测量时容易出现断线、接触不良等可靠性问题。
另外，这种测量方法在测量过程中一旦发生意外而中止，虽然只要中止时间内器件的特性不明显恢复，器件能够再次使用，但需要修改测量程序中的时间节点部分，处理过程较麻烦，在此之前测量的数据也可能丢失。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种成本较低、可同时测量多个器件且测量数量不会因测量过程意外中止而丢失的MOS器件热载流子注入效应的测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种MOS器件热载流子注入效应的测量方法，采用Agilent公司生产的HP4155A或其以上系列半导体参数测量仪、一块自制的带多个插座的电路板和一个两通道的辅助电压源所组成的测量系统，再加上用BASIC语言编写的批量数据测量与记录程序，按如下步骤进行：
步骤A：根据标准用HP4155A确定待测器件的漏、栅极的应力电压值；
步骤B：在HP4155A的面板上按DISPLAY键2次，显出程序运行界面，按GET键然后键入程序名，在HP4155A上调出软盘上的BASIC语言编写的数据记录程序，测量每个器件的初始参数值；
步骤C：将测量过初始值的多个待测器件放入电路板的插座中，调整两通道辅助电压源的电压值分别至对应的漏、栅极的应力电压数值，先在电路板上通过对应引线，在器件的漏极加上应力电压，再在电路板上通过对应引线，在器件的栅极加上应力电压，接上栅极应力电压的同时开始计算应力电压作用时间；
步骤D：在10秒、20秒、50秒、100秒、200秒、500秒、1000秒、2000秒，5000秒后等时间点处关断两通道的辅助电压源的电压应力，将MOS管分别从电路板上拨下，在HP4155A上快速测量指定参数的退化量，通过编制的一个数据批量测量与记录程序，把每次测量的每个器件的参数退化量数据与初始数据记录下来；
步骤E：一次测量记录完毕以后，再将所有的MOS管插回原来的电路板插座上，加上相应的电压应力，继续进行下一步的应力电压加速器件退化过程至到下一个时间节点处停止应力，将MOS管分别从电路板上拨下，在HP4155A上测量与记录退化的数据。如此反复，直到退化量达到需要的目标值时为止，HP4155A仅起数据记录与测量作用。
与现有技术相比，本发明MOS器件热载流子注入效应的测量方法采用售价较低的Agilent公司生产的HP4155A或其以上系列半导体参数测量仪作为参数测量设备，另外仅需配备一块自制的带多个插座的电路板和一个两通道的辅助电压源，成本较低。
因电路板上带有多个插座，再配合以用BASIC语言编写的批量数据测量与记录程序，即可同时测量多个器件。
因是半手工测量，测量过程一旦意外中止，对器件的影响小，只要中止时间内器件的特性不明显恢复，所有器件仍然可用，而且数据记录程序是把每一次的测量数据都存盘，在此之前测量的数据也不会丢失。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
【附图说明】
图1为本发明MOS器件热载流子注入效应的测量方法的电路工作原理方框图。
图2为本发明MOS器件热载流子注入效应的测量方法的电路工作原理图。
【具体实施方式】
请参见图1至图2所示，本发明MOS器件热载流子注入效应的测量方法采用Agilent公司生产的HP4155A或其以上系列半导体参数测量仪(在本实施方式中用HP4155A半导体参数测量仪进行举例说明)、一块自制的带多个(在本实施方式中为50个)插座的电路板和一个两通道的辅助电压源所组成的测量系统，再加上用BASIC语言编写的批量数据测量与记录程序，按如下步骤进行：
步骤A：根据标准用HP4155A确定待测器件的漏、栅极的应力电压值；
步骤B：在HP4155A的面板上按DISPLAY键2次，显出程序运行界面，按GET键然后键入程序名，在HP4155A上调出软盘上的BASIC语言编写的数据记录程序，测量每个器件的初始参数值；
步骤C：将测量过初始值的多个待测器件放入电路板的插座中，调整两通道辅助电压源的电压值分别至对应的漏、栅极的应力电压数值，先在电路板上通过对应引线，在器件的漏极加上应力电压，再在电路板上通过对应引线，在器件的栅极加上应力电压，接上栅极应力电压的同时开始计算应力电压作用时间；
步骤D：在10秒、20秒、50秒、100秒、200秒、500秒、1000秒、2000秒，5000秒后等时间点处关断两通道的辅助电压源的电压应力，将MOS管分别从电路板上拨下，在HP4155A上快速测量指定参数的退化量，通过编制的一个数据批量测量与记录程序，把每次测量的每个器件的参数退化量数据与初始数据记录下来；
步骤E：一次测量记录完毕以后，再将所有的MOS管插回原来的电路板插座上，加上相应的电压应力，继续进行下一步的应力电压加速器件退化过程至到下一个时间节点处停止应力，将MOS管分别从电路板上拨下，在HP4155A上测量与记录退化的数据。如此反复，直到退化量达到需要的目标值时为止，HP4155A仅起数据记录与测量作用。
运行于HP4155A上的数据记录程序在HP4155A关断电源至下一次测量时，仍可通过查找测量点数，按器件的顺序继续记录数据。测量数据以文本形式记录下来，需要在工作电脑上用专用软件进行数据统计特性分析与参数的提取。
电路板上各MOS管的插座位置并联排列，各个插座的管脚引线一一对应连接在一起，以保证相同的应力电压能同时加在待测的MOS管上。为了防止栅极击穿时引起大电流的产生，在每个插座上安排了一个栅极电流限流电阻，有效保护电源。
与现有技术相比，本发明MOS器件热载流子注入效应的测量方法采用售价较低的Agilent公司生产的HP4155A或其以上系列半导体参数测量仪作为参数测量设备，另外仅需配备一块自制的带多个插座的电路板和一个两通道的辅助电压源，成本较低。
因电路板上带有多个插座，再配合以用BASIC语言编写的批量数据测量与记录程序，即可同时测量多个器件。
因是半手工测量，测量过程一旦意外中止，对器件的影响小，只要中止时间内器件的特性不明显恢复，所有器件仍然可用，而且数据记录程序是把每一次的测量数据都存盘，在此之前测量的数据也不会丢失。
下面是使用本发明MOS器件热载流子注入效应的测量方法为某公司提供的试验样品进行一次热载流子寿命试验，试验按照合同技术方案进行，热载流子寿命预测按照技术方案提供的方法进行，试验项目、方法及技术要求请参见表面上，试验结果报告包括累积失效概率的对数正态分布图、中位寿命MTF、预计工作应力条件下累积失效概率为0.1％时的寿命，工作15年的累积失效概率。
表1 试验项目、方法及技术要求
| 管型 | 试验项目 | 试验方法及技术要求 | 试验样品数(个) | 备注 |
| N管 | 加速应力条件下热载流子寿命试验 | 试验环境温度：20℃样品总数：50只，P型衬底，0.6μm工艺，栅氧厚度12.5nm宽长比：W/L＝20/0.6N管加速应力：VDS＝5.90(V)，VGS＝2.05(V)N管工作应力： | 36 | 各编号中分别有2只用于确定应力条件 |
| P管 | VDS＝5.00(V)，VGS＝5.00(V)P管加速应力：VDS＝-9.0(V)，VGS＝-2.2(V)P管工作应力：VDS＝-5.00(V)，VGS＝-5.00(V)失效判据：以最大线性区跨导值退化10％为失效判据 | 36 | 各编号中分别有2只用于确定应力条件 |
N管和P管的试验数据列于表2和表3中，加速应力和工作条件下的寿命值分别列于表4和表5中。
表2 N管的测试数据
| 管芯编号 | 加速应力下的寿命(ks) | 管芯编号 | 加速应力下的寿命(ks) |
| 1-1 | 1.44 | 5-4 | 2.11 |
| 1-2 | 1.03 | 5-5 | 2.15 |
| 1-3 | 1.35 | 5-6 | 2.35 |
| 1-4 | 1.85 | 5-7 | 1.94 |
| 1-5 | 1.35 | 5-8 | 2.26 |
| 1-6 | 0.90 | 5-9 | 1.46 |
| 1-7 | 1.78 | 5-10 | 1.65 |
| 1-8 | 1.23 | 5-11 | 1.96 |
| 1-9 | 1.53 | 5-12 | 2.00 |
| 6-1 | 1.58 | 5-13 | 2.23 |
| 6-2 | 1.75 | 7-1 | 5.00 |
| 5-1 | 2.00 | 7-2 | 5.94 |
| 5-2 | 1.47 | 7-3 | 3.55 |
| 5-3 | 2.31 | 7-4 | 3.38 |
表3 P管的测试数据
| 管芯编号 | 加速应力下的寿命值(s) | 管芯编号 | 加速应力下的寿命值(s) |
| 1-1 | 7.92 | 5-4 | 6.90 |
| 1-2 | 7.19 | 5-5 | 7.52 |
| 1-3 | 7.19 | 5-6 | 6.45 |
| 1-4 | 7.00 | 5-7 | 6.76 |
| 1-5 | 6.76 | 5-8 | 6.80 |
| 1-6 | 6.49 | 5-9 | 7.63 |
| 1-7 | 6.90 | 5-10 | 6.66 |
| 1-8 | 6.76 | 5-11 | 6.80 |
| 1-9 | 4.25 | 5-12 | 525 |
| 6-1 | 6.90 | 5-13 | 2950 |
| 6-2 | 6.90 | 7-1 | 9.00 |
| 5-1 | 7.75 | 7-2 | 10.0 |
| 5-2 | 7.19 | 7-3 | 20.0 |
| 5-3 | 7.15 | 7-4 | 8.13 |
表4 加速应力条件下的寿命值
| 管型 | 中位寿命值t50(s) | 累计失效概率为0.1％的寿命值t0.1(s) |
| N管 | 1850 | 540 |
| P管 | 7.10 | 3.80 |
表5 工作应力条件下的寿命值
| 管型 | 中位寿命值t50(ks) | 累计失效概率为0.1％的寿命值t0.1(ks) |
| N管 | 1.33×105 | 4.2×104 |
| P管 | 1.92×1010 | 1.10×1010 |
15年的工作时间是4.73×105(ks)，从失效概率分布的对数正态坐标，N管工作15年的失效概率是99.96％，P管工作15年的失效概率小于0.0001％。
Claims (3)
1.一种MOS器件热载流子注入效应测量方法，其特征在于：所述测量方法采用Agilent公司生产的HP4155A或其以上系列半导体参数测量仪、一块自制的带多个插座的电路板和一个两通道的辅助电压源所组成的测量系统，再加上批量数据测量与记录程序，按如下步骤进行：
A、根据标准用测量仪确定待测器件的漏、栅极的应力电压值；
B、在测量仪的面板上按DISPLAY键2次，显出程序运行界面，按GET键然后键入程序名，在测量仪上调出软盘上的的批量数据测量与记录程序，测量每个器件的初始参数值；
C、将测量过初始值的多个待测器件放入电路板的插座中，调整两通道辅助电压源的电压值为对应的漏、栅极的应力电压数值送至电路板，以同时给待测器件的漏、栅极施加应力电压，然后开始计算应力电压作用时间；
D、在10秒、20秒、50秒、100秒、200秒、500秒、1000秒、2000秒，5000秒后等时间点处关断两通道的辅助电压源的电压应力，将MOS管分别从电路板上拨下，在测量仪上快速测量指定参数的退化量，通过编制的一个数据批量测量与记录程序，把每次测量的每个器件的参数退化量数据与初始数据记录下来；
E、一次测量记录完毕以后，再将所有的MOS管插回原来的电路板插座上，加上相应的电压应力，继续进行下一步的应力电压加速器件退化过程至到下一个时间节点处停止应力，将MOS管分别从电路板上拨下，在测量仪上测量与记录退化的数据，如此反复，直到退化量达到需要的目标值时为止，测量仪仅起数据记录与测量作用。
2.如权利要求1所述的MOS器件热载流子注入效应测量方法，其特征在于：在给待测器件的漏、栅极施加应力电压时，先在电路板上通过对应引线，在器件的漏极加上应力电压，再在电路板上通过对应引线，在器件的栅极加上应力电压，接上栅极应力电压。
3.如权利要求1所述的MOS器件热载流子注入效应测量方法，其特征在于：所述批量数据测量与记录程序采用BASIC语言编写。
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