CN102262206B - pMOSFET器件负偏置温度不稳定性寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种pMOSFET器件负偏置温度不稳定性寿命预测方法，包括：S1：施加负偏置应力之前，测量pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件参数；S2：对该器件的栅极施加应力条件，且漏极电压为正常工作电压，在预设的时间间隔内对该器件进行应力老化测试；S3：对该器件进行参数测试，得到与老化时间相关的器件参数，直至总体应力时间结束；S4：漏极电压为正常工作电压下，重复步骤S2和S3，进行不同应力条件测试，以器件参数退化到临界点为准，得到相应应力条件下pMOSFET器件的失效时间；S5：利用不同应力条件下pMOSFET器件的失效时间，预测栅极电压为正常工作电压条件下的器件可靠性寿命，本发明的方法得到的器件失效时间比常规方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI寿命。
Description
技术领域
本发明涉及MOS器件可靠性技术领域，特别涉及一种pMOSFET器件负偏置温度不稳定性寿命预测方法。
背景技术
随着半导体技术的飞速发展和微电子芯片集成度的大幅提高，集成电路设计和加工水平已经进入纳米MOS时代，表面沟道器件的出现、器件氧化层厚度的减薄以及为了抑制栅漏电流和硼穿透效应所采用的高氮含量的超薄栅氧化层，导致了氧化层电场增大，使得负偏置温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability，NBTI)、可靠性退化失效成为当前限制器件等比例缩小的主要可靠性问题，在pMOSFET器件中尤为突出。常规的测试方法是在长沟道器件、高温和均匀应力条件下进行的，通过在可靠性测试结构上进行的加速电应力测试预测得出pMOSFET器件可靠性寿命。
当pMOSFET器件在NBTI可靠性应力作用下，器件的退化主要表现为阈值电压、饱和漏电流、跨导等关键器件参数的漂移，一旦器件的关键参数漂移到一定程度，pMOSFET器件的正常工作状态将不复存在，最终会导致集成电路的失效。在正常工作状态下，NBTI的退化在整个集成电路的寿命周期内是一个缓慢的积累过程，因此，对于硅片级pMOSFET器件的NBTI退化的表征必须借助于短时间的加速应力，常用测试结构示意图如图1所示，测试结构是一个包括源极、栅极、漏极和衬底的四端器件，其中W和L分别表示器件的沟道宽度和沟道长度。典型的饱和漏电流随应力时间的变化如图2所示，可以看出随着应力时间的增长，器件的漂移退化增大。现有NBTI测试技术常用的测试结构是长沟道pMOSFET器件，通过在栅极施加负偏置而源漏和衬底均接地的方式实现恒压均匀应力，器件的关键参数，如阈值电压、饱和漏电流等随应力时间变化，经过若干时间后，器件参数退化失效到某个临界值，如：10％，此时定义为相应应力条件下器件的失效时间，如图3左图所示，V1、V2、V3(V1＞V2＞V3)分别对应不同的应力条件，对应的器件失效时间为t1、t2、t3，满足t1＜t2＜t3。根据加速应力模型外推即可得到正常工作电压Vdd下器件所对应的寿命，如图3右图所示。
器件在实际工作中的偏置状态下，特别是对于模拟和射频(RadioFrequency)应用，并不是只在栅上施加电压，往往在漏端也施加了电压，因此，仅在栅极施加电压应力不能充分反映器件的工作状态。现有技术没有考虑栅极和漏极同时施加电压的情况，不能充分反映器件实际工作状态。另外，如图5所示，在相同的栅极电压下，当漏极电压为电源电压时，器件的退化比现有均匀应力情况下大，因此，限制了器件的寿命。漏极电压取为电源电压，反映了pMOSFET器件的工作状态，而没有引入额外的应力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：pMOSFET器件在NBTI应力条件下负偏置温度不稳定性寿命预测的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种pMOSFET器件负偏置温度不稳定性寿命预测方法，采用制造工艺条件下的最小沟道长度器件进行测试，包括以下步骤：
S1：在对所述pMOSFET器件的栅极施加负偏置应力之前，测量所述pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件参数；
S2：对所述pMOSFET器件的栅极施加应力条件，同时漏极电压为正常工作电源电压，在预设的时间间隔内对该pMOSFET器件进行应力老化测试；
S3：对所述pMOSFET器件进行参数测试，得到与老化时间相关的器件参数，直至总体应力时间结束；
S4：漏极电压为正常工作电源电压下，重复步骤S2和S3，进行多个不同应力条件的测试，以器件参数退化到临界点为基准，得到相应应力条件下pMOSFET器件的失效时间；
S5：利用不同应力条件下的pMOSFET器件的失效时间，通过数据外推的方法得到栅极电压为正常工作电源电压条件下的器件可靠性寿命。
其中，所述预设的时间间隔小于100000秒。
其中，所述临界点为初始器件参数值的90％。
(三)有益效果
本发明从器件在实际工作中的偏置状态出发，提出了一种在漏极施加正常电源电压，同时通过栅极负偏置加速应力进行pMOSFET器件寿命预测的方法。本预测方法不仅偏置状态更接近器件的真实工作情况，而且在相同栅应力的情况下，器件失效时间比常规方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI寿命。另外，本发明的可靠性测试结构为四端结构，不同于现有的长沟测试器件结构，本发明采用的测试结构为制造工艺条件下的最小沟道长度器件，可以在常规半导体参数测试仪上完成，节省了测试设备成本。
附图说明
图1是本发明的方法采用的测试器件结构示意图；
图2是pMOSFET器件在NBTI应力下，典型的饱和漏电流随应力时间的变化图，其中横轴为应力时间，纵轴为饱和漏电流的变化量，以百分比表示，三条曲线分别对应于不同栅应力电压条件下的结果，栅应力电压越高，器件退化量越大；
图3是pMOSFET器件在典型恒压应力下，器件寿命预测方法示意图；
图4是本发明实施例的一种pMOSFET器件负偏置温度不稳定性可靠性寿命预测方法流程图；
图5是本发明最短沟道器件在栅极和漏极应力条件下退化图，其中横轴为应力时间，纵轴为饱和漏电流的变化量，以百分比表示，两条曲线分别对应于现有技术和本发明条件下的结果，在相同的栅极电压下，当漏极电压为电源电压时，器件的退化量大；
图6是利用图4中方法的pMOSFET器件可靠性寿命的预测结果图，其中横轴为栅电压，纵轴为器件失效时间，方块点对应于不同应力条件下测得的器件失效时间，在流程中在步骤S4中完成，通过数据外推可以得到在栅电压为电源电压1V情况下的寿命，表示为虚线与纵轴的交点，以圆点表示。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本专利从器件在实际工作中的偏置状态出发，结合短沟道器件结构，提出了一种在漏极施加正常电源电压，同时通过栅极负偏置加速应力进行pMOSFET器件寿命预测的方法。本预测方法不仅偏置更接近器件的真实工作情况，而且在相同栅应力的情况下，器件失效时间比常规方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI寿命。本方法采用短沟道器件结构，如图1所示，其中L为最短沟道长度，在漏极施加正常电源电压，同时通过栅极负偏置加速应力进行pMOSFET器件寿命预测的方法。具体流程如图4所示，包括：
步骤S1，在对pMOSFET器件的栅极施加负偏置应力之前，测量pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件参数，如漏电流Id0、阈值电压Vth0等。
步骤S2，对pMOSFET器件的栅极施加应力条件，同时漏极电压为正常工作电源电压，在预设的时间间隔内对该pMOSFET器件进行应力老化测试。
步骤S3，对pMOSFET器件进行参数测试，得到与老化时间相关的器件参数，如：漏电流Id、阈值电压Vth，直至总体应力时间结束。
步骤S4，漏极电压为正常工作电源电压下，重复步骤S2和S3，进行多个不同应力条件的测试，以器件参数退化到临界点为基准，得到相应应力条件下pMOSFET器件的失效时间。
步骤S5，利用不同应力条件下的pMOSFET器件的失效时间，预测栅极电压为正常工作电源电压条件下的器件可靠性寿命，即通过数据外推的方法得到栅极电压为正常工作电源电压条件下的器件可靠性寿命。
实验研究结果还显示，在同样的栅极应力条件下，当漏端电压为电源电压Vdd时，相同应力时间下，器件的退化量大，如图5所示，漏极电压＝0(不加电压)对应于传统应力，漏极电压＝-1V对应于漏极为电源电压-1V的情况，可看出得到的器件失效时间比常规方法更短，因此更能反映pMOSFET器件的NBTI寿命。
图6给出了利用本发明方法预测pMOSFET器件可靠性寿命的实验结果。其中横轴为栅电压，纵轴为器件寿命时间，方块点对应于不同应力条件下测得的器件失效时间(带实心方块的线条对应本发明的结果)，在流程中在步骤S4中完成，通过数据外推可以得到在栅电压为电源电压情况下的失效时间，表示为虚线与纵轴的交点，以圆点表示，采用本发明的预测方法得到的器件正常工作时间比现有技术短，成为限制器件正常工作的寿命。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (3)
1.一种pMOSFET器件负偏置温度不稳定性寿命预测方法，其特征在于，采用制造工艺条件下的最小沟道长度器件进行测试，包括以下步骤：
S1：在对所述pMOSFET器件的栅极施加负偏置应力之前，测量所述pMOSFET器件的初始特性，得到初始器件参数；
S2：对所述pMOSFET器件的栅极施加应力条件，同时漏极电压为正常工作电源电压，在预设的时间间隔内对该pMOSFET器件进行应力老化测试；
S3：对所述pMOSFET器件进行参数测试，得到与老化时间相关的器件参数，直至总体应力时间结束；
S4：漏极电压为正常工作电源电压下，重复步骤S2和S3，进行多个不同应力条件的测试，以器件参数退化到临界点为基准，得到相应应力条件下pMOSFET器件的失效时间；
S5：利用不同应力条件下的pMOSFET器件的失效时间，通过数据外推的方法得到栅极电压为正常工作电源电压条件下的器件可靠性寿命。
2.如权利要求1所述的pMOSFET器件负偏置温度不稳定性寿命预测方法，其特征在于，所述预设的时间间隔小于100000秒。
3.如权利要求1或2所述的pMOSFET器件负偏置温度不稳定性寿命预测方法，其特征在于，所述临界点为初始器件参数值的90％。
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