專利名稱：用于測(cè)試氧化層擊穿可靠性的結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MOS器件可靠性研究領(lǐng)域，尤其涉及一種用于測(cè)試氧化層擊穿可靠性的結(jié)構(gòu)及方法。
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，由此而帶來(lái)的導(dǎo)致納米MOS器件性能退化，影響器件可靠性的因素不斷出現(xiàn)。時(shí)變介質(zhì)擊穿(也稱為時(shí)變擊穿)是與時(shí)間有關(guān)的一種電介質(zhì)的擊穿現(xiàn)象。柵氧化層是MOS器件的心臟，在MOS器件可靠性評(píng)估方面，與柵氧化層時(shí)變介質(zhì)擊穿 (Time-Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)相關(guān)的擊穿是重要的指標(biāo)之一，常規(guī)的測(cè)試方法是對(duì)大量的樣品進(jìn)行擊穿測(cè)試，得到統(tǒng)計(jì)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。而常規(guī)的測(cè)試結(jié)構(gòu)是單一的氧化層電容，通過(guò)對(duì)氧化層電容結(jié)構(gòu)施加恒壓或者恒流應(yīng)力，得到相應(yīng)的氧化層擊穿時(shí)間，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，因此需要在不同測(cè)試結(jié)構(gòu)上進(jìn)行多次可靠性測(cè)量。 而且由于基于柵氧化層擊穿的失效預(yù)測(cè)是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的過(guò)程，因此，需要進(jìn)行相當(dāng)數(shù)量的樣品測(cè)試。上面提到的常規(guī)的測(cè)試結(jié)構(gòu)的剖面圖和頂視圖分別如圖1中(a)、(b)所示，該氧化層電容結(jié)構(gòu)是一個(gè)兩端器件，分別為柵極電極和襯底電極，其中Tox表示柵氧化層的厚度，L表示長(zhǎng)度，W表示寬度。在進(jìn)行氧化層擊穿可靠性測(cè)試時(shí)，在柵極和襯底之間加入一個(gè)恒定電壓，從柵極或者襯底處測(cè)量流過(guò)柵氧化層的電流，典型的電路測(cè)試配置如圖2中 (a)、(b)所示，其中PAD表示壓焊點(diǎn)，DUT表示被測(cè)器件-上述氧化層電容結(jié)構(gòu)，圖2表示在測(cè)試柵氧化層兩端的電流時(shí)，在柵極和襯底兩端各有一個(gè)壓焊點(diǎn)，測(cè)量時(shí)，在柵極施加一固定電壓，在襯底接入電流表頭。典型的恒壓應(yīng)力氧化層擊穿電流變化曲線如圖3所示，當(dāng)恒定電壓施加在測(cè)試結(jié)構(gòu)上后，柵極電流隨應(yīng)力時(shí)間變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，柵極(襯底)電流突然增加，電流值增大到某個(gè)臨界值，這個(gè)發(fā)生電流突變的時(shí)間就被定義為擊穿時(shí)間tBD。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提供一種僅一次測(cè)量就可以獲得多個(gè)氧化層擊穿數(shù)據(jù)，而且在沒(méi)有增加測(cè)試設(shè)備成本的前提下，提高測(cè)試效率的氧化層擊穿可靠性測(cè)試方法。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于測(cè)試氧化層擊穿可靠性的結(jié)構(gòu)，包括具有不同面積的多個(gè)氧化層電容，多個(gè)氧化層電容共享同一個(gè)柵極，每個(gè)氧化層電容包括一個(gè)襯底，且各個(gè)氧化層電容的襯底相互分離。其中，所述結(jié)構(gòu)為四端結(jié)構(gòu)，包括四個(gè)壓焊點(diǎn)。其中，所述氧化層電容為三個(gè)。
本發(fā)明還提供了一種利用上述結(jié)構(gòu)測(cè)試氧化層擊穿可靠性的方法，在所述柵極施加一固定電壓，在各個(gè)氧化層電容的襯底分別接一個(gè)電流表，測(cè)試流經(jīng)各襯底的電流，一旦有襯底的電流發(fā)生跳變，記錄時(shí)間，即為該襯底對(duì)應(yīng)的氧化層電容的氧化層擊穿時(shí)間。本發(fā)明又提供了一種利用所述結(jié)構(gòu)確定威布爾分布的形狀因子的方法。(三)有益效果本發(fā)明在一個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)中集成了不同面積或者數(shù)量的氧化層電容，通過(guò)共用柵極的設(shè)計(jì)(即多個(gè)氧化層電容共享同一個(gè)柵極的技術(shù))，使得測(cè)試結(jié)構(gòu)只有四個(gè)壓焊點(diǎn) (PAD)，不僅可以使用常規(guī)的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試設(shè)備，節(jié)省了測(cè)試設(shè)備成本，而且僅一次測(cè)量就可以獲得多個(gè)氧化層擊穿數(shù)據(jù)，因此在沒(méi)有增加測(cè)試設(shè)備成本的前提下，提高了測(cè)試效率。另外，本發(fā)明的氧化層擊穿可靠性測(cè)試結(jié)構(gòu)可以用于確定Weibull分布(可稱為韋伯分布或者威布爾分布)的形狀因子(β )。


圖1為常用氧化層擊穿測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為常用氧化層擊穿測(cè)試結(jié)構(gòu)的電路測(cè)試配置示意圖；圖3為典型恒壓應(yīng)力氧化層擊穿電流變化曲線；圖4中(a)和(b)分別為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖以及電路測(cè)試連接圖；圖5是本發(fā)明的測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果示意圖；圖6是不同面積器件對(duì)應(yīng)的氧化層壽命，直線的斜率即為Weibull分布的形狀因子⑷的倒數(shù)。
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)說(shuō)明。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖4中(a)所示，本發(fā)明將不同面積的三個(gè)氧化層電容(即三個(gè)氧化層擊穿測(cè)試結(jié)構(gòu))通過(guò)共享同一個(gè)柵極集成在一起，A1、A2、A3分別表示單個(gè)氧化層電容(其結(jié)構(gòu)如圖1所示)的面積(為各個(gè)柵氧化層的面積)，這里假設(shè)Al < A2 < A3，通過(guò)共享同一個(gè)柵極，并且與其各自分離的襯底一起構(gòu)成了一個(gè)四端(四個(gè)PAD)結(jié)構(gòu)。如圖4中(b)在進(jìn)行氧化層擊穿測(cè)試時(shí)，在共享的柵極施加一固定電壓，在各自分離的襯底接入電流表，測(cè)試各路的襯底電流，當(dāng)襯底電流發(fā)生跳變時(shí)，表明該電流所對(duì)應(yīng)的氧化層發(fā)生了擊穿，因?yàn)槿齻€(gè)氧化層電容的面積不同，所以發(fā)生擊穿的時(shí)間不同。氧化層時(shí)變擊穿時(shí)間隨氧化層面積的增大而減小，如圖5所示，其中tBD1 > tBD2 > tBD3。由此可見(jiàn)，在最長(zhǎng)的tBD1時(shí)間內(nèi)，一次性可完成三個(gè)器件的測(cè)量，總節(jié)省時(shí)間達(dá)到tBD2+tBD3。當(dāng)三個(gè)氧化層電容具有相同面積的情況下，由于氧化層擊穿的統(tǒng)計(jì)特性，三者擊穿時(shí)間不會(huì)完全相同， 因此最遲擊穿的器件決定了最大的測(cè)量時(shí)間，同樣地可以獲得三個(gè)擊穿時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)。隨著集成電路工藝的不斷進(jìn)步，氧化層厚度成比例縮小，對(duì)于超薄柵氧化層擊穿 Weibull分布的形狀因子β逐漸減小，意味著氧化層壽命預(yù)測(cè)對(duì)面積和失效率變換的敏感度增大，可由以下方程表示
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)試氧化層擊穿可靠性的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括具有不同面積的多個(gè)氧化層電容，多個(gè)氧化層電容共享同一個(gè)柵極，每個(gè)氧化層電容包括一個(gè)襯底，且各個(gè)氧化層電容的襯底相互分離。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)為四端結(jié)構(gòu)，包括四個(gè)壓焊點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氧化層電容為三個(gè)。
4.一種利用權(quán)利要求1或2或3的結(jié)構(gòu)測(cè)試氧化層擊穿可靠性的方法，其特征在于，在所述柵極施加一固定電壓，在各個(gè)氧化層電容的襯底分別接一個(gè)電流表，測(cè)試流經(jīng)各襯底的電流，一旦有襯底的電流發(fā)生跳變，記錄時(shí)間，即為該襯底對(duì)應(yīng)的氧化層電容的氧化層擊穿時(shí)間。
5.一種利用權(quán)利要求1或2或3的結(jié)構(gòu)確定威布爾分布的形狀因子的方法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)試氧化層擊穿可靠性的結(jié)構(gòu)及方法，該結(jié)構(gòu)包括具有不同面積的多個(gè)氧化層電容，多個(gè)氧化層電容共享同一個(gè)柵極，每個(gè)氧化層電容包括一個(gè)襯底，且各個(gè)氧化層電容的襯底相互分離。本發(fā)明的測(cè)試結(jié)構(gòu)不僅可以使用常規(guī)的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試設(shè)備，而且僅一次測(cè)量就可以獲得多個(gè)氧化層擊穿數(shù)據(jù)，因此在沒(méi)有增加測(cè)試設(shè)備成本的前提下，提高了測(cè)試效率。
文檔編號(hào)H01L23/544GK102176443SQ201110044418
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月23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)