專利名稱：pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MOS器件可靠性技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和微電子芯片集成度的大幅提高，集成電路設(shè)計(jì)和加工水平已經(jīng)進(jìn)入納米MOS時(shí)代，表面溝道器件的出現(xiàn)、器件氧化層厚度的減薄以及為了抑制柵漏電流和硼穿透效應(yīng)所采用的高氮含量的超薄柵氧化層，導(dǎo)致了氧化層電場(chǎng)增大，使得負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性(Negative Bias Temperature ^stability，NBTI)、可靠性退化失效成為當(dāng)前限制器件等比例縮小的主要可靠性問題，在pMOSFET器件中尤為突出。常規(guī)的測(cè)試方法是在長(zhǎng)溝道器件、高溫和均勻應(yīng)力條件下進(jìn)行的，通過在可靠性測(cè)試結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的加速電應(yīng)力測(cè)試預(yù)測(cè)得出pMOSFET器件可靠性壽命。當(dāng)pMOSFET器件在NBTI可靠性應(yīng)力作用下，器件的退化主要表現(xiàn)為閾值電壓、飽和漏電流、跨導(dǎo)等關(guān)鍵器件參數(shù)的漂移，一旦器件的關(guān)鍵參數(shù)漂移到一定程度，pMOSFET器件的正常工作狀態(tài)將不復(fù)存在，最終會(huì)導(dǎo)致集成電路的失效。在正常工作狀態(tài)下，NBTI的退化在整個(gè)集成電路的壽命周期內(nèi)是一個(gè)緩慢的積累過程，因此，對(duì)于硅片級(jí)pMOSFET器件的NBTI退化的表征必須借助于短時(shí)間的加速應(yīng)力，常用測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，測(cè)試結(jié)構(gòu)是一個(gè)包括源極、柵極、漏極和襯底的四端器件，其中W和L分別表示器件的溝道寬度和溝道長(zhǎng)度。典型的飽和漏電流隨應(yīng)力時(shí)間的變化如圖2所示，可以看出隨著應(yīng)力時(shí)間的增長(zhǎng)，器件的漂移退化增大。現(xiàn)有NBTI測(cè)試技術(shù)常用的測(cè)試結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)溝道pMOSFET器件，通過在柵極施加負(fù)偏置而源漏和襯底均接地的方式實(shí)現(xiàn)恒壓均勻應(yīng)力，器件的關(guān)鍵參數(shù)，如閾值電壓、飽和漏電流等隨應(yīng)力時(shí)間變化，經(jīng)過若干時(shí)間后，器件參數(shù)退化失效到某個(gè)臨界值，如10%，此時(shí)定義為相應(yīng)應(yīng)力條件下器件的失效時(shí)間，如圖3左圖所示，V1、V2、V3(V1 > V2 > V3)分別對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力條件，對(duì)應(yīng)的器件失效時(shí)間為tl、t2、t3，滿足tl < t2 < t3。根據(jù)加速應(yīng)力模型外推即可得到正常工作電壓Vdd下器件所對(duì)應(yīng)的壽命，如圖3右圖所示。器件在實(shí)際工作中的偏置狀態(tài)下，特別是對(duì)于模擬和射頻(RadioFrequency)應(yīng)用，并不是只在柵上施加電壓，往往在漏端也施加了電壓，因此，僅在柵極施加電壓應(yīng)力不能充分反映器件的工作狀態(tài)。現(xiàn)有技術(shù)沒有考慮柵極和漏極同時(shí)施加電壓的情況，不能充分反映器件實(shí)際工作狀態(tài)。另外，如圖5所示，在相同的柵極電壓下，當(dāng)漏極電壓為電源電壓時(shí)，器件的退化比現(xiàn)有均勻應(yīng)力情況下大，因此，限制了器件的壽命。漏極電壓取為電源電壓，反映了 pMOSFET器件的工作狀態(tài)，而沒有引入額外的應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是pM0SFET器件在NBTI應(yīng)力條件下負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)的問題。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)方法，采用制造工藝條件下的最小溝道長(zhǎng)度器件進(jìn)行測(cè)試，包括以下步驟Sl 在對(duì)所述pMOSFET器件的柵極施加負(fù)偏置應(yīng)力之前，測(cè)量所述pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件參數(shù)；S2 對(duì)所述pMOSFET器件的柵極施加應(yīng)力條件，同時(shí)漏極電壓為正常工作電源電壓，在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)該pMOSFET器件進(jìn)行應(yīng)力老化測(cè)試；S3 對(duì)所述pMOSFET器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，得到與老化時(shí)間相關(guān)的器件參數(shù)，直至總體應(yīng)力時(shí)間結(jié)束；S4:漏極電壓為正常工作電源電壓下，重復(fù)步驟S2和S3，進(jìn)行多個(gè)不同應(yīng)力條件的測(cè)試，以器件參數(shù)退化到臨界點(diǎn)為基準(zhǔn)，得到相應(yīng)應(yīng)力條件下pMOSFET器件的失效時(shí)間；S5 利用不同應(yīng)力條件下的pMOSFET器件的失效時(shí)間，通過數(shù)據(jù)外推的方法得到柵極電壓為正常工作電源電壓條件下的器件可靠性壽命。其中，所述預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔小于100000秒。其中，所述臨界點(diǎn)為初始器件參數(shù)值的90%。(三)有益效果本發(fā)明從器件在實(shí)際工作中的偏置狀態(tài)出發(fā)，提出了一種在漏極施加正常電源電壓，同時(shí)通過柵極負(fù)偏置加速應(yīng)力進(jìn)行pMOSFET器件壽命預(yù)測(cè)的方法。本預(yù)測(cè)方法不僅偏置狀態(tài)更接近器件的真實(shí)工作情況，而且在相同柵應(yīng)力的情況下，器件失效時(shí)間比常規(guī)方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI壽命。另外，本發(fā)明的可靠性測(cè)試結(jié)構(gòu)為四端結(jié)構(gòu)，不同于現(xiàn)有的長(zhǎng)溝測(cè)試器件結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用的測(cè)試結(jié)構(gòu)為制造工藝條件下的最小溝道長(zhǎng)度器件，可以在常規(guī)半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀上完成，節(jié)省了測(cè)試設(shè)備成本。


圖1是本發(fā)明的方法采用的測(cè)試器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是pMOSFET器件在NBTI應(yīng)力下，典型的飽和漏電流隨應(yīng)力時(shí)間的變化圖，其中橫軸為應(yīng)力時(shí)間，縱軸為飽和漏電流的變化量，以百分比表示，三條曲線分別對(duì)應(yīng)于不同柵應(yīng)力電壓條件下的結(jié)果，柵應(yīng)力電壓越高，器件退化量越大；圖3是pMOSFET器件在典型恒壓應(yīng)力下，器件壽命預(yù)測(cè)方法示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的一種pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性可靠性壽命預(yù)測(cè)方法流程圖；圖5是本發(fā)明最短溝道器件在柵極和漏極應(yīng)力條件下退化圖，其中橫軸為應(yīng)力時(shí)間，縱軸為飽和漏電流的變化量，以百分比表示，兩條曲線分別對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明條件下的結(jié)果，在相同的柵極電壓下，當(dāng)漏極電壓為電源電壓時(shí)，器件的退化量大；圖6是利用圖4中方法的pMOSFET器件可靠性壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果圖，其中橫軸為柵電壓，縱軸為器件失效時(shí)間，方塊點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不同應(yīng)力條件下測(cè)得的器件失效時(shí)間，在流程中在步驟S4中完成，通過數(shù)據(jù)外推可以得到在柵電壓為電源電壓IV情況下的壽命，表示為虛線與縱軸的交點(diǎn)，以圓點(diǎn)表示。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本專利從器件在實(shí)際工作中的偏置狀態(tài)出發(fā)，結(jié)合短溝道器件結(jié)構(gòu)，提出了一種在漏極施加正常電源電壓，同時(shí)通過柵極負(fù)偏置加速應(yīng)力進(jìn)行pMOSFET器件壽命預(yù)測(cè)的方法。本預(yù)測(cè)方法不僅偏置更接近器件的真實(shí)工作情況，而且在相同柵應(yīng)力的情況下，器件失效時(shí)間比常規(guī)方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI壽命。本方法采用短溝道器件結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中L為最短溝道長(zhǎng)度，在漏極施加正常電源電壓，同時(shí)通過柵極負(fù)偏置加速應(yīng)力進(jìn)行pMOSFET器件壽命預(yù)測(cè)的方法。具體流程如圖4所示，包括步驟Sl，在對(duì)pMOSFET器件的柵極施加負(fù)偏置應(yīng)力之前，測(cè)量pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件參數(shù)，如漏電流IdO、閾值電壓VthO等。步驟S2，對(duì)pMOSFET器件的柵極施加應(yīng)力條件，同時(shí)漏極電壓為正常工作電源電壓，在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)該pMOSFET器件進(jìn)行應(yīng)力老化測(cè)試。步驟S3，對(duì)pMOSFET器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，得到與老化時(shí)間相關(guān)的器件參數(shù)，如漏電流Id、閾值電壓Vth，直至總體應(yīng)力時(shí)間結(jié)束。步驟S4，漏極電壓為正常工作電源電壓下，重復(fù)步驟S2和S3，進(jìn)行多個(gè)不同應(yīng)力條件的測(cè)試，以器件參數(shù)退化到臨界點(diǎn)為基準(zhǔn)，得到相應(yīng)應(yīng)力條件下pMOSFET器件的失效時(shí)間。步驟S5，利用不同應(yīng)力條件下的pMOSFET器件的失效時(shí)間，預(yù)測(cè)柵極電壓為正常工作電源電壓條件下的器件可靠性壽命，即通過數(shù)據(jù)外推的方法得到柵極電壓為正常工作電源電壓條件下的器件可靠性壽命。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果還顯示，在同樣的柵極應(yīng)力條件下，當(dāng)漏端電壓為電源電壓Vdd時(shí)， 相同應(yīng)力時(shí)間下，器件的退化量大，如圖5所示，漏極電壓=0(不加電壓)對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)應(yīng)力，漏極電壓=-IV對(duì)應(yīng)于漏極為電源電壓-IV的情況，可看出得到的器件失效時(shí)間比常規(guī)方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI壽命。圖6給出了利用本發(fā)明方法預(yù)測(cè)pMOSFET器件可靠性壽命的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中橫軸為柵電壓，縱軸為器件壽命時(shí)間，方塊點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不同應(yīng)力條件下測(cè)得的器件失效時(shí)間(帶實(shí)心方塊的線條對(duì)應(yīng)本發(fā)明的結(jié)果)，在流程中在步驟S4中完成，通過數(shù)據(jù)外推可以得到在柵電壓為電源電壓情況下的失效時(shí)間，表示為虛線與縱軸的交點(diǎn)，以圓點(diǎn)表示，采用本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法得到的器件正常工作時(shí)間比現(xiàn)有技術(shù)短，成為限制器件正常工作的壽命。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，采用制造工藝條件下的最小溝道長(zhǎng)度器件進(jìn)行測(cè)試，包括以下步驟Sl 在對(duì)所述pMOSFET器件的柵極施加負(fù)偏置應(yīng)力之前，測(cè)量所述pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件參數(shù)；S2:對(duì)所述pMOSFET器件的柵極施加應(yīng)力條件，同時(shí)漏極電壓為正常工作電源電壓，在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)該pMOSFET器件進(jìn)行應(yīng)力老化測(cè)試；S3 對(duì)所述pMOSFET器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，得到與老化時(shí)間相關(guān)的器件參數(shù)，直至總體應(yīng)力時(shí)間結(jié)束；S4:漏極電壓為正常工作電源電壓下，重復(fù)步驟S2和S3，進(jìn)行多個(gè)不同應(yīng)力條件的測(cè)試，以器件參數(shù)退化到臨界點(diǎn)為基準(zhǔn)，得到相應(yīng)應(yīng)力條件下pMOSFET器件的失效時(shí)間；S5 利用不同應(yīng)力條件下的pMOSFET器件的失效時(shí)間，通過數(shù)據(jù)外推的方法得到柵極電壓為正常工作電源電壓條件下的器件可靠性壽命。
2.如權(quán)利要求1所述的pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于， 所述預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔小于100000秒。
3.如權(quán)利要求1或2所述的pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述臨界點(diǎn)為初始器件參數(shù)值的90%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種pMOSFET器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性壽命預(yù)測(cè)方法，包括S1施加負(fù)偏置應(yīng)力之前，測(cè)量pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件參數(shù)；S2對(duì)該器件的柵極施加應(yīng)力條件，且漏極電壓為正常工作電壓，在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)該器件進(jìn)行應(yīng)力老化測(cè)試；S3對(duì)該器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，得到與老化時(shí)間相關(guān)的器件參數(shù)，直至總體應(yīng)力時(shí)間結(jié)束；S4漏極電壓為正常工作電壓下，重復(fù)步驟S2和S3，進(jìn)行不同應(yīng)力條件測(cè)試，以器件參數(shù)退化到臨界點(diǎn)為準(zhǔn)，得到相應(yīng)應(yīng)力條件下pMOSFET器件的失效時(shí)間；S5利用不同應(yīng)力條件下pMOSFET器件的失效時(shí)間，預(yù)測(cè)柵極電壓為正常工作電壓條件下的器件可靠性壽命，本發(fā)明的方法得到的器件失效時(shí)間比常規(guī)方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI壽命。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102262206SQ201110109449
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者何燕冬, 劉曉彥, 張興, 張鋼剛 申請(qǐng)人:北京大學(xué)