[发明专利]一种预测半导体器件NBTI寿命及其涨落的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件可靠性领域，涉及到小尺寸半导体器件NBTI寿命及其涨落的预测方法。

背景技术

随着半导体器件尺寸的缩小，栅介质层逐渐减薄，导致栅介质层的电场逐渐增加，使得负偏置温度不稳定性NBTI（Negative Bias Temperature Instability）引起的半导体器件性能的退化日益显著，严重影响小尺寸半导体器件的性能，成为评价半导体器件可靠性的主要问题之一。另外，栅介质层中的陷阱个数同时逐渐减少，陷阱俘获和发射载流子的随机性行为导致NBTI成为一种随机性的退化，使得半导体器件的NBTI寿命由唯一值变成随机变量，对于电路的可靠性设计和工艺条件的筛选提出了新的挑战。因此，预测小尺寸半导体器件的NBTI寿命及其涨落具有重要意义。

传统预测半导体器件NBTI寿命的方法是在恒定NBTI应力下测量半导体器件阈值电压的退化，通过幂函数拟合阈值电压退化量和应力时间的关系，得到该应力下的NBTI寿命。通过得到不同恒定应力下的半导体器件的NBTI寿命，进行外推，得到半导体器件在正常工作条件下的NBTI寿命。传统NBTI寿命预测方法需要测试多个完全相同的半导体器件，一方面测试时间长（若干小时），不利于现代CMOS工艺选择中的快速筛检；另一方面在小尺寸半导体器件中，半导体器件之间的涨落（Device-to-device variation,DDV）变得很明显，这使得传统方法需要的多个完全相同的半导体器件的要求不再满足；另外，由于陷阱俘获和发射载流子的随机性，阈值电压退化量在不同工作周期之间出现明显的涨落（Cycle-to-cycle variation,CCV），导致用传统方法测出的阈值电压退化量随应力时间出现明显的涨落，这使得幂函数拟合方法不再适用。综合这三个方面，传统的预测NBTI寿命的方法在小尺寸半导体器件中不再适用，因此急需提出一种既适合小尺寸半导体器件又简单快速的NBTI寿命提取方法，同时能方便研究NBTI寿命的涨落，为电路设计及工艺选择提供指导。

发明内容

术语约定：下文出现的寿命均是指半导体器件的NBTI寿命。

本发明的目的在于提供一种高效率且适用于小尺寸半导体器件的NBTI寿命预测方法。

本发明的技术方案如下：

一种预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，将半导体器件的源端偏置VS与衬底偏置VB始终处于零偏置，执行如下测试步骤：

第一步，首先，在半导体器件栅端施加电压V_Gmeasure（取值通常在阈值电压V_th0附近），漏端施加电压V_Dmeasure（取值需满足半导体器件处于线性区），测量应力前半导体器件的漏电流I_D0；然后在栅端施加初始应力电压V_{Gstress_1}，漏端处于零偏置，应力时间为△t，在应力施加过程中，栅电压在V_{Gstress_1}和V_Gmeasure之间循环跳转，同时漏电压在0和V_Dmeasure之间循环跳转；每个循环中，栅电压为V_{Gstress_1}的时间t₀的最大值要小于10ms；当栅电压为V_Gmeasure，漏电压为V_Dmeasure时监测漏电流I_D，因此上述每一次循环对应一次I_D的监测，将此定义为一个测试循环；