WO2013056490A1

WO2013056490A1 - 一种预测soi mosfet器件可靠性寿命的方法

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Publication number: WO2013056490A1
Application number: PCT/CN2011/083250
Authority: WO
Inventors: 黄如; 杨东; 安霞; 张兴
Original assignee: 北京大学
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-04-25
Also published as: CN103063995A; CN103063995B

Abstract

一种预测SOI MOSFET器件可靠性寿命的方法。在不同的测试台温度下测量SOI MOSFET器件栅电阻随温度变化关系；在不同的测试台温度下对SOI MOSFET器件进行加速寿命试验，得到表征器件寿命的参数随着应力时间的退化关系，以及该参数退化至10%时的存在自热影响的寿命；利用测得的自热温度和阿伦尼斯模型对测得的器件寿命进行自热修正，得到不含自热温度对寿命影响的本征寿命；对自热引起的漏端电流变化进行自热修正；对热载流子引起的碰撞电离率进行自热修正；对偏置条件下SOI MOSFET器件的工作寿命进行预测。本发明实施例除去了在实际的逻辑电路或AC的模拟电路中SOI MOSFET器件不会存在自热效应对寿命预测的影响，使得预测的结果更加精确。

Description

一种预测 SOI M0SFET器件可靠性寿命的方法技术领域

本发明实施例涉及半导体可靠性研究领域，由于 SOI MOSFET器件的自热效应会加剧器件退化程度，而在实际的数字电路中自热效应的影响很小，本发明实施例主要涉及针对 SOI MOSFET器件的自热修正后的一种可靠性寿命的预测方法。背景技术

随着 VLSI 技术的飞速发展，硅集成电路工艺已进入以深亚微米乃至超深亚微米特征尺寸为主的产品生产阶段。制造工艺的技术进步极大地提高了 VLSI质量和性能，同时大大降低了单个芯片的工艺成本，推动了集成电路产品的普及，带来新的电子信息革命。然而，在器件等比例缩小的同时，工作电压并不能达到相同比例的缩小，所以各种可靠性问题也逐渐变得日趋严重，其中主要包括热载流子效应（HCI)、负偏压热不稳定（ BTI) 以及氧化层随时间的击穿（TDDB) 等。

SOI ( Silicon-On-Insulator, 绝缘衬底上的硅） MOSFET器件是指在绝缘衬底上形成一层单晶硅薄膜，或是单晶硅薄膜被绝缘层从支撑的硅衬底中分开而形成的材料结构。与传统体硅 MOS器件相比， SOI MOSFET器件具有电隔离性能好，寄生电容小，易形成浅结，可以避免闩锁效应，抗辐射能力强等优势。然而，由于 SOI MOSFET器件隐埋氧化层的热导率较差，使得器件沟道区晶格温度上升，从而导致器件开态漏端电流下降。

加速寿命试验的基本思想是利用高应力下的寿命特征去外推断正常应力水平下的寿命特征。实现这个基本思想的关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系，即加速模型。在传统的应力加速过程中，所加的应力条件为 DC (直流）电压，对应的 TTF (time to failure) 被用来预测该器件应用于数字和模拟电路中的寿命。然而用这种方法对在实际工作的逻辑电路或 AC的模拟电路预测有很大的误差，缘由自热效应的产生与工作电路的频率相关，工作频率越大，器件的热响应还来不及建立信号就已经传导出去，而工作频率越小，自热效应也就越严重。所以，基于高应力下的寿命预测在数字电路中应当去除自热效应对寿命的影响，从而得到精确的 SOI MOSFET器件可靠性寿命值。发明内容本发明实施例的目的在于提供一种主要针对同一批工艺下 SOI MOSFET器件在不同偏置条件下因产生自热温度不同进行的自热修正后的可靠性寿命预测方法。根据本发明实施例的技术方案如下：

一种预测 SOI MOSFET器件可靠性寿命的方法，其特征在于，包括如下步骤： a) 在不同的测试台（wafer)温度下测量 SOI MOSFET器件栅电阻随温度变化关系，得到电阻温度关系系数 ^a以及在不同偏置条件下的自热温度 ^，并在存在自热效应下测得衬底电流 ^sh和漏端电流 ^Id'^sh； b) 在不同的 wafer温度 ^Τ 下对 SOI MOSFET器件进行加速寿命试验，得到表征器件寿命的参数随着应力时间的退化关系，以及该参数退化至 10%时的存在自热影响的寿命； c) 利用测得的自热温度和阿伦尼斯（Arrhenius) 模型（如公式 1 ) 对测得的器件寿命进行自热修正，得到去除自热影响后的寿命

T = A₀ exp(E_a / kT) (公式 1 ) X^eXP[^_7^L (^； ~ ~^)]

(公式 2 ) 其中公式 1中为寿命， ^为式前系数， ^£。为激活能，为波尔兹曼常数， T为绝对温度；公式 2 中 ^。"^为去除自热影响后的寿命， ^为存在自热影响的寿命， ^£。为激活能，可通过拟合得到，为波尔兹曼常数，为 wafer温度， ^为提取的自热温度；

d) 对自热引起的漏端电流变化进行自热修正，如下：

l°Sl !OS^^A -^^1θ§^Α (公式 3) 其中 „。„ 为消除自热影响后的漏端电流， ^ 为未消除自热影响的漏端电流， ^为提取的自热温度， ^为系数（该系数可通过数据拟合得到）； e) 对热载流子引起的碰撞电离率 M进行自热修正，其中 ^{M =} ^^/ d， ^为衬底电流， d为漏端电流，修正的公式如下：

^gM_{non sh} = \ogM_sh - y\og T_sh (公式 4 ) 其中 ^M"。" ^¾为消除自热影响后的碰撞电离率， ^M 为未消除自热影响的碰撞电离率，为提取的自热温度，为系数（该系数可通过数据拟合得到）; f) 利用标准的 Hu模型 [1] (如公式 5)，将进行自热修正后的各参数值，寿命 ^。"^，漏端电流 ^ -■*禾口碰撞电离率^ -■*代入模型中，所述^ ，通过拟合得到式中的系数常数 A B; 在测得一定偏压下的漏端电流和衬底电流值后，利用公式 6，对该偏置条件下 SOIMOSFET器件的工作寿命进行预测：

^ ^ ^^ 5) ^ ^ ^^ 6) 其中 W为器件沟道宽度， ^{Isub n}—^Sh、和^。 " 为需要进行预测的偏压条件下的自热修正后的衬底电流、漏端电流和去除自热影响后的寿命。如下: i) 对于五端 SOI MOSFET器件，在一条栅的两端分别打上接触孔，测试栅电阻时分别接上电压 Vgl 和 Vg2，为了排除栅隧穿电流对监测栅电流 Igl 和 Ig2 的影响，测试电压 Vgl=Vg+AVg, Vg2=Vg-AVg, 其中 Vg为栅上所加的应力偏压，分别取不同的 _AVg测得栅电流 Igli和 Ig2i (i=l,2,3， …， n)，同时 '' ^{= 4Δί}¾ ^^¹'' + ²')，其中 ^'为第 i次测

Rg =∑Rg_t / n

量的电阻，最后得到在一定温度和一定偏压下的栅电阻 '=i ， n值一般小于 5; ii) 当栅端电压 Vg和漏端电压 Vd应力电压为零时，在不同的 wafer温度下执行步骤 i)，得到在没有自热效应下的栅电阻随 wafer温度的变化关系，用电阻温度关系系数"表示:

Rg(T_hh_ii_gg_hh) -Rg(T_ref )

= -

Τ - Τ

high ref (公式 7) 其中 /为参考温度，为参考温度下测得的栅电阻， ^fcg^¾为大于参考温度值的温度，

^Rg^)为在 ^T>u≠下的测得的栅电阻； iii)当 Vg和 Vd应力电压均大于零时，在不同的 wafer温度下执行步骤 i)，测得在不同的偏置条件下因自热效应不同而引起栅电阻不同，利用电阻温度关系系数"和测得的电阻

Rg算出自热温度 ^

Rg(T_u , ) -Rg(T_ref )

sh

a (公式 8

步骤 a) 中所述可靠性测试应力为热电子注入（HCI) 应力。步骤 b) 中所述表征器件寿命的参数为最大跨导值 G™-^max或饱和漏端电流。f 步骤 i) 中所述的 Vg的取值应远大于 _AVg， _AVg取值小于 50mV。

与现有的 SOI MOSFET测试寿命方法相比，本发明实施例提供的方法除去了在实际的逻辑电路或 AC的模拟电路中 SOI MOSFET器件不会存在自热效应对寿命预测的影响，使得预测的结果更加精确。附图说明

图 1 : 五端有体接触 SOI MOSFET器件的三维结构图；

其中： 101为隐埋层； 102为栅端 1 ; 103为栅端 2; 104为源端； 105为漏端；图 2: 栅电阻提取示意图；

图 3 : 栅电阻与测试台温度关系图；

图 4: 器件最大跨导值随应力时间退化曲线图；

图 5 : 寿命与温度间的阿伦尼斯图；

图 6: 漏端电流与温度间的关系图；

图 7: 碰撞电离率与温度间的关系图；

图 8: Hu模型中相关参数的关系图。具体实施方式

下面参照附图，更详细地描述出本发明的最佳实施例。

本例实施测试的 SOI MOSFET器件为五端有体接触的 SOI MOS器件（PMOS与此类似），三维示意图如图 1所示。选取工艺条件良好、界面态均匀的 NMOS管，其宽 (W)和长 (L) 分别为 5um和 0.18um。具体的实施步骤如下：

1 ) 提取在不同的 wafer温度和应力偏置条件下的栅电阻，方法为：如图 2所示，对栅 1 和栅 2分别接上电压 Vgl和 Vg2，为了排除栅隧穿电流对检测电流 Igl和 Ig2的影响， Vgl=Vg+ AVg, Vg2=Vg-AVg,其中 Vg为栅上所加的应力偏压（ Vg远大于 _AVg)， _AVg分别取值 10mV、

20mV、 30mV和 40mV，测得栅电流 Igli和 Ig2i ( i=l,2,3,4), 得到不同 _AVg条件下的栅电阻

¾ = 4Δ¾ / (/^1_; +/^2_;)；于是在一定的应力偏压 _Vg 条件下所测得的栅电阻为

Rg =∑Rg_t / n

i=\ 2 ) 当 wafer温度为 T1=303K、 Τ2=323Κ Τ3=353Κ和 Τ4=383Κ，取 Vg=Vd=Vstress=0，

Vstress为应力电压，在上述的 wafer温度下执行步骤 1 )，可以得到在没有自热效应条件下的栅电阻随温度（wafer 温度）的变化关系，如表 1，得到电阻温度关系系数常数

Rg(T_Ugh) - Rg(T_ref )

a = ― = 0.69

改变 Vstress的值，分别为 0.8V、 1.2V、 1.6V 2.0V 2.2V 2.4V

2.6V、 2.8V和 3.0V，同样在不同 wafer温度下，测得不同条件下的栅电阻，根据电阻温度关系系数常数，得到了电阻温度分布图，如图 3。

表 1

Rg(T_Meh) -Rg(T_ref )

Δ71

根据公式 " 从图 3可以提取出在应力偏置 Vstress为 2.4V、 2.6V、

2.8V和 3.0V和不同 wafer温度下的自热温度，可以看到在不同的 wafer温度下，相同偏置条件下产生的自热温度基本相同。

表 2

3 ) wafer温度 T1=303K，对 SOI MOSFET器件进行 HCI可靠性实验，施加 HCI应力偏置 ( Vg=Vd=Vstressl=2.6V, 2.8V, 3.0V) , 源端、体端接地，背栅浮置，应力时间 6000s，应力过程中对栅电流 Ig、衬底电流 /_∞¾和漏端电流 /_d进行采样。并分别在应力时间 t=l s， 2s, 5s, 10s, 20s, 50s, 100s, 200s, 500s, 1000s, 2000s, 4000s, 6000s时中断应力，测量器件的转移曲线，得到最大跨导值随应力时间退化的曲线，如图 4所示。

4) 在其他 wafer温度 T2=323K、 Τ3=353Κ、 Τ4=383Κ下，重复步骤 3)，得到了和图 4 类似的退化时间图，选取最大跨导退化 10%时时间点为寿命终值，根据阿伦尼斯（Arrhenius) 模型（如公式 1)中寿命与温度的关系，做出图 5，得到不同应力条件下拟合的式前系数 Λ和激活能。

同时利用公式 2和提取出的激活能 i：。， , 得到消

除自热影响和未消除自热影响的寿命值如下：

表 3

5) 根据步骤 3) 中测得的漏端电流，得到不同的温度下漏端电流的关系图如图 6所示，可以发现温度与漏端电流呈现双对数线性关系 ^g^ C + ^og⁷" , 其中 C为常数， 1为自热温度和 wafer温度的总和。根据拟合的系数 ^和前面提取出的自热温度 _¾，可以进行该条件下的自热修正 ^{lQg rf}，"^^{A =lQg} ^—^^Qg7A，修正后的漏端电流结果见表 4。

Id,non_sh(A) T1=303K Τ1=323Κ Τ1=353Κ Τ1=383Κ

2.6V 0.004745Α 0.004569Α 0.004404Α 0.003989Α

2.8V 0.005485Α 0.005351A 0.005202Α 0.004548Α 3.0V 0.006861 0.00681 0.006683 0.005398

表 4

6)根据步骤 3)中测得的衬底电流以及碰撞电离率 M与衬底电流和漏端电流的关系，得到不同的温度下碰撞电离率 M的关系图（如图 7所示），可以发现温度与碰撞电离率也呈现双对数线性关系 ^{lQgM = jD + ?/lQg7} w，其中 D为常数，根据拟合的系数? ^和前面提取出的自热温度 7；_¾，可以进行该条件下的自热修正 logM„。„— =1ο_§Μ - l₀g7_A，修正后的衬底电流结果见表 5。

7)对器件寿命、衬底电流和漏端电流将进行自热修正后将各自修正后的值代入 Hu模型 - ^ά IW) = A' (Ι^_{ηοη Λ} H_d,_{non sh}) ^中，通过拟合得到式中不同 _wafe_r温度下的的系数常数 A、 B，分别见图 8和表 6;

表 6

8) SOIMOSFET器件的标准电压为 1.8V，在室温 303K时工作条件下进行自热修正后的漏端电流值和碰撞电离率代入公式 6 T_{non sh} = (A · W / I _n—_sl I_s'_{u n sh} I U 中，由拟合出的系数 A、 B可以算出在此工作环境下，器件的最大跨导退化 10%的寿命值为 10年左右，符合器件正常工作的年限。参考文献

[1] 1985 TED C. Hu " Hot-electron-induced MOSFET degradation - model, monitor, and improvement"

Claims

权利要求

一种预测 SOI MOSFET器件可靠性寿命的方法，其特征在于，包括如下步骤： a) 在不同的测试台（wafer)温度下测量 SOI MOSFET器件栅电阻随温度变化关系，得到电阻温度关系系数 ^a以及在不同偏置条件下的自热温度 ^，并在存在自热效应下测得衬底电流 ^sh和漏端电流 ^Id'^sh； b) 在不同的 wafer温度 ^Τ 下对 SOIMOSFET器件进行加速寿命试验，得到表征器件寿命的参数随着应力时间的退化关系，以及该参数退化至 10%时的存在自热影响的寿命

^sh · c) 利用测得的自热温度和阿伦尼斯模型（如公式 1 ) 对测得的器件寿命进行自热修正，得到去除自热影响后的寿命 ^。"^；

T = (公式 1 )

^Tnon__Sh

d) 对自热引起的漏端电流变化进行自热修正，如下：

l°Sl_d,„on_sh = !OS ^^A - ^ ^1θ§ ^Α (公式 3 ) 其中 „。„ 为消除自热影响后的漏端电流， ^ 为未消除自热影响的漏端电流， ^为提取的自热温度，为系数； e) 对热载流子引起的碰撞电离率 M进行自热修正，其中 ^{M =} ^^/ d， ^为衬底电流， d为漏端电流，修正的公式如下：

^gM_{non sh} = \ogM_sh - y\og T_sh (公式 4 ) 其中 ^M"。" ^¾为消除自热影响后的碰撞电离率， ^M 为未消除自热影响的碰撞电离率， ^为提取的自热温度，为系数； f) 利用标准的 Hu模型（如公式 5)，将进行自热修正后的各参数值，寿命。 ^k，漏端电流 - ^禾口石並撞电离率 - ^代入模型中，所述 I 工，通过拟合得到式中的系数常数 A B; 在测得一定偏压下的漏端电流和衬底电流值后，利用公式 6，对该偏置条件下 SOI MOSFET器件的工作寿命进行预测：

^ ^ ^^ 5) ^ ^ ^^ 6) 其中 W为器件沟道宽度， ^{Isub n}—^Sh、和^。 " 为需要进行预测的偏压条件下的自热修正后的衬底电流、漏端电流和去除自热影响后的寿命。

2. 如权利要求 1所述的预测 SOI MOSFET器件可靠性寿命的方法，其特征在于，在步骤 a) 中，所述的测量 SOI MOSFET器件栅电阻随温度变化关系的步骤如下：

i) 对于五端 SOI MOSFET器件，在一条栅的两端分别打上接触孔，测试栅电阻时分别接上电压 Vgl 和 Vg2，为了排除栅隧穿电流对监测栅电流 Igl 和 Ig2 的影响，测试电压 Vgl=Vg+AVg, Vg2=Vg-AVg, 其中 Vg为栅上所加的应力偏压，分别取不同的 _AVg测得栅电流 Igli和 Ig2i (i=l,2,3, n)，同时 ' ⁼⁴八^¾^/( ¹''^{+ 2}'')，其中 ^为第 i次测量 Rg =∑Rg_t/n

的电阻，最后得到在一定温度和一定偏压下的栅电阻 '=i ， n值一般小于 5; ii) 当栅端电压 Vg和漏端电压 Vd应力电压为零时，在不同的 wafer温度下执行步骤 i)，得到在没有自热效应下的栅电阻随 wafer温度的变化关系，用电阻温度关系系数"表示： o_:_Rg(T_high)-Rg(T_ref)

H (公式 7) 其中为参考温度， ^^⁷^)为参考温度下测得的栅电阻， ^ 为大于参考温度值的温度，

^Rg^)为在下的测得的栅电阻； iii) 当 Vg和 Vd应力电压均大于零时，在不同的 wafer温度下执行步骤 i)，测得在不同的偏置条件下因自热效应不同而引起栅电阻不同，利用电阻温度关系系数"和测得的电阻 Rg 算出自热温度 ^

τ ₌Rg(T_hlgh)-Rg(T_ref)

(公式 8)。

3.如权利要求 1所述的预测 SOI MOSFET器件可靠性寿命的方法，其特征在于，在步骤 a) 中，所述可靠性测试应力为热电子注入应力。

4.如权利要求 1所述的预测 SOI MOSFET器件可靠性寿命的方法，其特征在于，步骤 b) 中所述表征器件寿命的参数为最大跨导值 ^σ™或饱和漏端电流。 5.如权利要求 2所述的预测 SOI MOSFET器件可靠性寿命的方法，其特征在于，步骤 i)中， Vg的取值远大于 _AVg， _AVg取值小于 50mV。