CN102194650B - 用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法，包括下列步骤：a：对多个具有相同参数的第一半导体器件分别实施多个不同的改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺；b：对第一半导体器件施加一段时间的大小相同的应力；c：判定第一半导体器件是否到达报废值，当第一半导体器件未到达报废值时，返回步骤b；当第一半导体器件到达报废值时停止对第一半导体器件施加应力，进入步骤d；d：选取对于最晚到达报废值的第一半导体器件所施加的改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺为多个工艺中的最优工艺。

Description

用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法。

背景技术

近十几年来，半导体工业以超乎寻常的速度发展，在集成电路生产方面取得了巨大的成就。目前，已经能够生产出高性能的SOC（***级芯片）产品。随着半导体工艺进入到超深亚微米级，一些关键问题影响到半导体电路的生产，其中包括NBTI（负偏压下温度不稳定性）效应，即对器件施加负的栅极电压和温度应力条件下所发生的一系列现象，

NBTI效应是影响CMOS器件可靠性的重要因素。由NBTI效应引发的PMOSFET退化逐渐成为影响器件寿命的主要因素。它比由热载流子（HC）效应引发的NMOSFET寿命退化更加严重。NBTI效应是由高温下（通常大于100摄氏度）对PMOSFET栅极施加一定的负偏压造成的。这种情况下在器件老化和工作过程中都可能遇到，表现为饱和电流I_dsat和跨导Gm的不断减小，阈值电压漂移△V_th不断增大，亚阈值斜率不断减小等器件参数的变化。它可能增加时序电路中的信号延迟，从而导致时序漂移。在模拟集成电路，特别是在一些参数匹配的应用中，电路工作条件会对匹配的晶体管施加非对称的偏置压力，从而导致明显的参数失配。这将导致老化过程中成品率的降低和工作条件下半导体器件性能的变坏。

近年来，半导体工业界对NBTI效应问题给予了高度的关注，NBTI效应已经成为当今CMOS技术最严重的可靠性问题之一。由于是因为Si-H键被打断而引起的界面的电荷的增加，导致NBTI效应的产生，因此可以设法引入其它可以与Si形成更高键能的元素来代替H，如氘，形成的Si-D键能量高，较Si-H键更难被打断，从而可以减少在偏压下界面电荷的增加。还有其它相同作用的元素，比如氟。另外，亦可藉由控制氧化层的状态使NBTI效应得到改善。氧化层的缺陷与NBTI效应直接相关。在工艺上主要可以通过在生长氧化层前进行预处理和控制生长氧化层的工艺来获得较好的硅/氧化层界面状态和氧化层性能。这些改善NBTI效应的工艺已经被广泛应用于业界中。

判断哪一种改善NBTI效应的工艺效果更好一些，需要对相应的样品进行检测。因此，进行器件加速寿命测试对CMOS器件具有重要意义。器件寿命加速测试是指在高温高压下对器件各项性能的测试，以评估器件在常温常压下的使用寿命的方法。

首先对一些有着同样参数的样品采用不同的工艺以改善NBTI效应，然后进行样品的寿命测试，寿命最长的样品即为最佳的样品，该样品所对应的工艺条件即为改善NBTI效应最佳的工艺条件。以PMOS器件为例，采用三个样品，现有的进行改善NBTI效应工艺后检测半导体器件寿命的方法如图1所示。

如图1所示，现有的测试NBTI效应的方法选取一些具有同样参数的样品，例如样品1、样品2和样品3，这些样品均具有相同的参考参数，例如各样品均具有相同的I_dsat（饱和电流）。对这些样品实施不同的工艺以改善其NBTI效应。将样品1、样品2和样品3施加一段时间t₁的应力。这里的应力应该指外界施加的能够加速样品老化的手段，例如将PMOS器件的栅极电压V_g调整为-2V。然后对三个样品进行测试，观测各自的ΔI_dsat值，其中ΔI_dsat是指I_dsat的漂移量，计算出此时的ΔI_dsat/I_dsat是否达到报废值，这里的报废值为人为设定的半导体器件报废的值。之后将没有达到报废值的样品施加一段时间t₂的应力，然后立即对样品进行同样的测试，即测试ΔI_dsat，计算出此时的ΔI_dsat/I_dsat是否达到报废值；将没有达到报废值的样品施加一端时间t₃的应力，然后立即对样品测试ΔI_dsat……如此循环，一直到施加应力时间为t_s时，然后立即对样品进行测试，直到所有的样品均已报废。此时，观测哪个样品的寿命最长，即可判定相应样品所对应的改善NBTI的工艺条件为最佳条件。

这种现有的检测方法，得出公式P（t）=A×t^-n中的A与n的值，A代表的是与工艺相关的因数，n代表的是NBTI效应退化的加速因子，t是施加应力的时间，P（t）为参考参数的漂移程度，例如上面所描述的ΔI_dsat/I_dsat，这样以后可通过计算知道实施改善NBTI效应的工艺后半导体器件的寿命t’。例如，已知P（t’）=10%时判定该半导体器件报废，可通过

来得知t’的大小，即可得到实施改善NBTI效应的工艺后改半导体器件的寿命，而不必再次对其进行测量。

但是，这种现有的进行改善NBTI效应工艺后检测半导体器件寿命的方法不够精确，有可能导致最后的检测结果是错误的，相应地导致P（t）=A×t^-n公式存在一定的问题，即计算出的t’值不够精确。如果使用了这种错误的检测结果，即使用了错误的检测结果所对应的改善NBTI效应的工艺，不能够真正有效地找出哪种工艺条件是最好的，这样不利于半导体器件工艺的改进，而且采用错误结果对应的工艺会降低半导体器件的整体性能，降低良品率，使产品不具有竞争力。因此，需要一种新的方法，能够精确地评价改善NBTI效应工艺的效果，以便提高器件整体的性能，提高半导体器件的良品率。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了能够精确地评价改善NBTI效应工艺的效果，本发明提出了一种用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法，包括下列步骤：a:对多个具有相同参数的第一半导体器件分别实施所述多个不同的改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺；b:对所述第一半导体器件施加一段时间t的大小相同的应力;c:判定所述第一半导体器件是否到达报废值P（t），当所述第一半导体器件未到达所述报废值P（t）时，返回步骤b；当所述第一半导体器件到达所述报废值P（t）时停止对所述第一半导体器件施加应力，进入步骤d；d:选取对于最晚到达所述报废值P（t）的第一半导体器件所施加的改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺为所述多个工艺中的最优工艺；其中，所述报废值P（t）=ΔT（t）/T，T为在所述步骤a之后对所述第一半导体器件立即测量的参考参数的值，ΔT（t）为在所述步骤b后对所述第一半导体器件测量的参考参数的值T’与T的差值。

优选地，还包括，

e:将步骤d中选取的所述第一半导体器件到达所述报废值的时间设定为第一寿命，将所述第一寿命与第一预设值相比较，如果所述第一寿命小于第一预设值，则重新选择改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺，并返回步骤a。

优选地，还包括，

e:将步骤d中选取所述第一半导体器件到达所述报废值的时间设定为第一寿命，将所述第一寿命与第一预设值相比较，如果所述第一寿命不小于第一预设值，则进入步骤f；f:提供与步骤d中选取的所述第一半导体器件具有相同参数、且实施了所述最优工艺的第二半导体器件；g：将所述第二半导体器件经所述最优工艺后漂移了的参数调回到未经最优工艺之前的参数；h:对所述第二半导体器件施加应力以检测寿命，得到第二寿命；i:将所述第二寿命与第二预设值进行比较，如果所述第二寿命小于第二预设值，重新选择改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺，并返回步骤a；如果所述第二寿命不小于所述第二预设值，则所述第二半导体器件合格。

优选地，其中所述步骤g中调回所述参数的方法采用离子注入工艺来进行。

优选地，其中所述参考参数为半导体器件的饱和电流I_dsat。

优选地，其中所述参考参数为半导体器件的阈值电压V_th。

优选地，其中所述报废值设定为10%。

本发明还提出了一种对于应用了改善负偏压下温度不稳定性效应工艺的半导体器件的寿命检测方法，其特征在于，采用如下公式计算半导体器件的寿命t：

t=10^D，

其中

其中α=(1-P₀/P_tar)^-m，所述P（t）为报废值，所述A是与工艺相关的因数，所述n是负偏压下温度不稳定性效应退化的加速因子，所述t是施加应力的时间，m是与具体工艺相关的因数，0≤m≤1；P₀是实施所述改善负偏压下温度不稳定性效应工艺后半导体器件的参数的数值，P_tar代表实施所述改善负偏压下温度不稳定性效应工艺前半导体器件的的参数的数值。

优选地，其特征在于，当P₀=P_tar时，所述m=0。

优选地，其中所述参数为半导体器件的饱和电流I_dsat。

优选地，其中所述参数为半导体器件的阈值电压V_th。

优选地，其中所述报废值设定为10%。

本发明独创性的考虑到实施改善NBTI效应的工艺后的参考参数的漂移量，使得在评价改善效果时，能够比较准确地判定哪种工艺条件为改善NBTI效应的工艺最佳条件，避免参考参数的漂移量对评价的影响；同理，在计算器件寿命时，也更为精确。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是现有的进行改善NBTI效应工艺后检测半导体器件寿命的方法示意图；

图2是根据本发明一个方面的实施例进行改善NBTI效应工艺后检测半导体器件寿命的方法示意图；

图3是示出了根据本发明实施例的采用新的方法来检测改善NBTI效应后半导体器件寿命的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明是如何采用新的方法来检测进行NBTI效应改善工艺后半导体器件寿命的。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

为了克服现有的实施改善NBTI效应的工艺后检测半导体器件寿命的不精确的问题，本发明提出在最初检测阶段将通过实施改善NBTI效应工艺而引起的其它参数的漂移量考虑进来。

根据本发明一个方面的一个实施例如下所述。

首先对三个各种参数相同样品，即样品4、样品5、样品6实施不同的工艺以改善NBTI效应，例如离子注入方法等，然后进行样品的寿命测试。需要指出的是，在实际工业生产应用中，不是必须只对三个样品进行检测，检测时样品的数量不受限制，依据工业要求而定，这里仅以举例的方式为三个样品。

如图2所示，为根据本发明一个方面的实施例实施改善NBTI效应的工艺后检测半导体器件寿命的方法。对实施了改善NBTI效应工艺的三个各种参数相同的样品，例如样品4、样品5和样品6进行器件加速寿命测试。例如，对样品4、样品5和样品6施加一段时间t₁的相同应力，这些样品均具有相同的参考参数，例如各样品均具有相同的I_dsat。检测出各自的I_dsat后(t₁)，并计算出P（t₁）=ΔI(t₁)/I_dsat后，即第一比较值P（t₁）是否到达报废值，报废值即为人为设定的半导体器件报废的参数值。需要指出的是这里的I_dsat后为对样品实施改善NBTI效应工艺后的立即测量的I_dsat值，而非原来的进行改善NBTI效应工艺前的I_dsat前值。其中，ΔI(t₁)为施加一段时间t₁的相同应力后当前I_dsat后(t₁)的值与I_dsat后的差值，即ΔI(t₁)_后=I_dsat后-I_dsat后(t₁)；对没有到达报废值的样品继续施加一段时间t₂的相同应力，然后立即对样品测试I_dsat后(t₂)，计算出P（t₂）=ΔI(t₂)/I_dsat后，即第二比较值P（t₂）是否到达报废值，这里的ΔI(t₂)为施加一段时间t₂的相同应力后当前I_dsat后(t₂)的值与I_dsat后的差值，即ΔI(t₂)=I_dsat后-I_dsat后(t₂)；对没有到达报废值的样品继续施加一端时间t₃的相同应力，然后立即对样品进行测试ΔI(t₃)……如此循环，一直到施加应力时间为t_s时，此处s为整数且s≥1，然后立即对样品测试I_dsat后(t_s)，计算出P（t_s）=ΔI(t_s)/I_dsat后，即第s比较值P（t_s）是否到达报废值，其中ΔI(t_s)为施加一段时间t_s的相同应力后当前I_{dsat 后}(t_s)的值与I_dsat后的差值，即ΔI(t_s)=I_dsat后-I_dsat后(t_s)。当所有的样品均到达报废值时，即所有的样品的P（t_s）均达到报废值，本实施例中报废值设定为10%，观测这三个样品各自的t_s的值，选取最后到达报废值的样品，即s最大的样品，该样品具有改善NBTI效应的最佳工艺条件。该是示例中为样品4，即样品4的寿命最长，样品4的工艺条件为改善NBTI效应的最佳工艺条件。

如果采用现有的手段对这三个样品进行检测，如图1所示，先采用现有的测试手段进行测试，即不考虑其它参数的漂移量，将已利用不同工艺对NBTI效应进行改进而制作的样品（例如样品1、样品2和样品3）施加应力后，这里样品1与样品4采用相同的工艺，样品2与样品5采用相同的工艺，样品3与样品6采用相同的工艺。该例中的测试结果表明样品3的寿命最长，即会认定样品3所采用的工艺为改善NBTI效应的最佳工艺条件。很明显，这种现有手段所检测到的结果是不准确的。

根据本实施例的结果表明，采用本发明的方法能够更加精确地判断出哪种工艺条件为改善NBTI效应的工艺最佳条件。这是由于，在实施改善NBTI效应的工艺后，会对其它参数造成影响，致使这些参数发生不同程度的漂移，例如参考参数I_dsat偏离目标值，此处的目标值是未实施改善NBTI效应的工艺时参考参数的值。而传统工艺在检测时没有将这些参考参数的漂移考虑进去，致使检测的结果不准确。本发明将这些参考参数的漂移量均考虑进来，这样就能够比较准确地判定哪种工艺条件为改善NBTI效应的工艺最佳条件，从而可以更好地应用到实际工业中，有利于半导体技术的进步，提高半导体器件的整体性能，提高良品率。

根据本发明，采用新的公式来计算实施改善NBTI效应工艺后的半导体器件的寿命，即公式P（t）=A’×t^-n=（α×A）×t^-n，其中α=(1-P₀/P_tar)^-m，P₀代表实施改善NBTI效应工艺后I_dsat后的数值，P_tar代表实施改善NBTI效应工艺前I_dsat的数值，即实际工业中所达到的I_dsat的数值。经过多组样品的测量，即可得到不同工艺对应的经验常数A、n与m的值。A代表的是与工艺相关的因数，n代表的是NBTI效应退化的加速因子，t是施加应力的时间，m是与具体工艺相关的因数，0≤m≤1，特别地，当P₀=P_tar时，m=0。以后，就可以根据该公式计算出相应工艺所对应的样品的寿命值，而不需要再如上述实施例中所描述的一样进行测试。需要指出的是，这里的P（t）并不特指为ΔI_dsat/I_dsat后，推而广之，即P（t）=ΔT（t）/T，其中，T为对样品实施改善NBTI效应工艺后的立即测量的参考参数的值，而非原来的进行改善NBTI效应工艺前的参考参数的值；ΔT（t）为施加一段时间t的相同应力后当前参考参数的值T’与T的差值，即ΔI_dsat=T-T’。例如，P（t）还可以是V_th（阈值电压）的漂移程度，即ΔV_th（t）/V_th后的数值，相应地P₀代表的是实施改善NBTI效应工艺后V_th后的数值，P_tar代表实施改善NBTI效应工艺前V_th的数值，即实际工业中所达到的V_th的数值。利用实施例中所采用的方法，可以计算出公式P（t）=A’×t^-n=（α×A）×t^-n中除t以外的所有参数的值，这样当人为设定好报废值P（t’）的值时，可以计算出相应半导体器件的寿命t’，即t’=10^D，其中

其中α=(1-P₀/P_tar)^-m。

这样计算出来的寿命值符合实际的寿命值，能够较精确地反应进行改善NBTI效应后的半导体器件的寿命。

图3的流程图示出了根据本发明实施例的采用新的方法来检测改善NBTI效应后半导体器件寿命的示意图。在步骤301中，对多个具有相同参数的第一样品分别实施多个不同的改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺。在步骤302中，对这些第一样品施加一段时间t的大小相同的应力，该应力应该指外界施加的能够加速样品老化的手段。在步骤303中，将第一样品与报废值进行比较，判定第一样品是否达到报废值。当第一样品未到达报废值时，返回步骤302；当第一样品到达报废值时停止对第一样品器件施加应力，进入步骤304。在步骤304中，选取对于最晚到达报废值的第一样品，其寿命为第一寿命t₁，将第一寿命t₁与第一预设值进行比较，此处的第一预设值为人为设定的样品报废时的值。如果第一寿命t₁小于第一预设值，返回步骤301，第一样品第一步不合格，重新选择改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺；如果第一寿命t₁不小于第一预设值，第一样品第一步合格，继续到步骤305。在步骤305中，提供具有第一寿命t₁的第一样品具有相同参数、且实施了所述最优工艺的第二样品，将第二样品经所述最优工艺后漂移了的参考参数，如I_dsat或V_th等，调回到未实施改善NBTI工艺之前的参数，此过程可采用如离子注入等工艺来进行。在步骤306中，对第二样品施加相同应力检测样品的寿命。设定此时第二样品的寿命为第二寿命t₂，将第二寿命t₂与第二预设值进行比较，此处的第二预设值为人为设定的样品报废时达到的值。如果第二寿命t₂小于第二预设值，第二样品第二步不合格，返回步骤301，重新选择改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺；如果第二寿命t₂不小于第二预设值，第二样品第二步合格，继续到步骤307。在步骤307中，第二样品合格。即在实际工业中可选用与第二样品参数相同并实施了相同的改善NBTI效应的工艺的半导体器件。

需要指出的是，选取的第一样品或第二样品可以是多个，这时候可以在步骤304以及步骤306中通过检测一组中第一样品或第二样品报废一定百分比的样品时所用的时间与预设值比较，如果小于第一预设值或第二预设值，则继续实施改善NBTI效应的工艺，否则，进行到下一步。这是由于在实际工业中，即使具有相同参数的半导体器件实施了相同的改善NBTI工艺也并不具有相同的寿命。例如，在步骤304中选取100个第一样品，同时这100个第一样品施加应力，可以选取当其中50个第一样品报废的时间，与第一预设值进行比较，如果小于第一预设值，则第一样品第一步不合格；否则，进行到下一步。

根据如上所述的实施例制造的采用示出了根据本发明实施例的采用新的方法来检测改善NBTI效应后半导体器件寿命方法的半导体器件可应用于多种集成电路（IC）中。根据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器（RAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、静态RAM（SRAM）、或只读存储器（ROM）等等。根据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列（PLA）、专用集成电路（ASIC）、合并式DRAM逻辑集成电路（掩埋式DRAM）或任意其他电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例如用户电子产品，如个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机、数码相机、手机等各种电子产品中，尤其是射频产品中。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法，包括下列步骤：

a:对多个具有相同参数的第一半导体器件分别实施多个不同的改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺；

b:对所述第一半导体器件施加一段时间t的大小相同的应力;

c:判定所述第一半导体器件的参考参数的漂移程度P（t）是否到达报废值，当所述第一半导体器件的参考参数的漂移程度P（t）未到达所述报废值时，返回步骤b；当所述第一半导体器件的参考参数的漂移程度P（t）到达所述报废值时停止对所述第一半导体器件施加应力，进入步骤d；

d:选取对于所述P（t）最晚到达所述报废值的第一半导体器件所施加的改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺为多个所述工艺中的最优工艺；其中，所述P（t）=ΔT（t）/T，T为在所述步骤a之后对所述第一半导体器件立即测量的所述参考参数的值，ΔT（t）为在所述步骤b后对所述第一半导体器件测量的所述参考参数的值T’与所述T的差值；

e:将步骤d中选取的所述第一半导体器件的所述P（t）到达所述报废值的时间设定为第一寿命t₁，将所述第一寿命t₁与第一预设值相比较，如果所述第一寿命t₁小于所述第一预设值，则重新选择改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺，并返回步骤a，如果所述第一寿命t₁不小于所述第一预设值，则进入步骤f；

f:提供与步骤d中选取的所述第一半导体器件具有相同参数、且实施了所述最优工艺的第二半导体器件；

g：将所述第二半导体器件经所述最优工艺后漂移了的参数调回到未经最优工艺之前的参数；

h:对所述第二半导体器件施加应力以检测寿命，得到第二寿命t₂；以及

i:将所述第二寿命t₂与第二预设值进行比较，如果所述第二寿命t₂小于所述第二预设值，重新选择改善负偏压下温度不稳定性效应的工艺，并返回步骤a；如果所述第二寿命t₂不小于所述第二预设值，则所述第二半导体器件合格。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤g中调回所述参数的方法采用离子注入工艺来进行。

3.如权利要求1-2中任一所述的方法，其中所述参考参数为半导体器件的饱和电流I_dsat。

4.如权利要求1-2中任一所述的方法，其中所述参考参数为半导体器件的阈值电压V_th。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述报废值设定为10%。

6.如权利要求1所述的方法，其中采用如下公式计算所述半导体器件的寿命t’，所述寿命t’包括所述第一寿命t₁和所述第二寿命t₂：

t’=10^D，

其中

其中α=(1-P₀/P_tar)^-m，所述P（t’）为报废值，所述A是与工艺相关的因数，所述n是负偏压下温度不稳定性效应退化的加速因子，所述t是施加应力的时间，m是与具体工艺相关的因数，0≤m≤1；P₀是实施所述改善负偏压下温度不稳定性效应工艺后半导体器件的参数的数值，P_tar代表实施所述改善负偏压下温度不稳定性效应工艺前半导体器件的参数的数值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当P₀=P_tar时，所述m=0。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述参数为半导体器件的饱和电流I_dsat。

9.如权利要求6所述的方法，其中所述参数为半导体器件的阈值电压V_th。

10.如权利要求6所述的方法，其中所述报废值设定为10%。

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