CN102610538B

CN102610538B - 通过测量隧穿电场来快速评价sonos可靠性的方法

Info

Publication number: CN102610538B
Application number: CN201110026325.3A
Authority: CN
Inventors: 缪燕; 孙勤; 姚毅
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: CN102610538A

Abstract

本发明公开了一种通过测量隧穿电场来快速评价SONOS可靠性的方法，包括步骤：测量SONOS的操作电压窗口和隧穿电场窗口的相关性参数；在待测SONOS完成ONO成膜后，测量其隧穿电场窗口；根据待测SONOS的隧穿电场窗口和相关性参数，推导出待测SONOS的操作电压窗口；根据待测SONOS的操作电压窗口，评价该待测SONOS的数据保持力特性。该方法利用SONOS器件的电子/空穴逃逸机理与隧穿电场的测量方法相对应的原理，通过测量ONO膜的正、负隧穿电场，判断SONOS器件的数据保持力特性，从而简化了可靠性评价的工艺流程，缩短了评价的时间，并有助于实现批量测试。

Description

通过测量隧穿电场来快速评价SONOS可靠性的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种通过测量隧穿电场来快速评价SONOS可靠性的方法。

背景技术

SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon，硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅)闪存器件，由于具备良好的等比例缩小特性和抗辐照特性，已经成为了目前主要的闪存类型之一。但SONOS闪存器件在应用上还面临着许多问题，其中，可靠性相关的问题主要有两个：一是Endurance(电擦写持久力)特性，就是衡量SONOS器件在多次编程/擦除之后，器件特性方面可能的退化；二是DataRetention(数据保持力)特性，就是衡量SONOS器件在没有外加电源情况下的数据保存能力。

目前，业界对SONOS的数据保持力特性的评价，普遍是在产品完成所有作业后进行的，方法是在诸如85℃的温度下烘烤SONOS器件，测量烘烤不同时间段(例如1，5，……，168小时，5个时间点)的V_tp-V_te窗口(V_tp为写入状态电子电压，V_te为擦除状态空穴电压)，然后对时间按秒取对数，以时间的对数值为X轴，V_tp-V_te窗口为Y轴，进行线性递推，例如推至10年时间，判断此时的V_tp-V_te窗口是否满足产品设计所要求的最小可识别操作电压窗口。这种方法的缺点是耗时长，通常需要168小时才能完成评价，这给批量测试的应用带来了困难。

实践中，常采用提高烘烤温度的方法来缩短评价的时间，例如，器件在85℃下需要烘烤168小时，其V_tp-V_te才能用于表征器件在常态下使用10年时的特性，而根据温度可靠性温度变换公式：AF＝exp[(Ea/k)×(1/Tu-1/Ta)]，其中，AF为加速因子，Ea为激活能，k为玻尔兹曼常数(8.6×10e-5eV/K)，Tu为常态下的绝对温度，Ta为加速状态下的绝对温度，可以换算出，在250℃下，只需要烘烤11小时，其V_tp-V_te就可以表征器件在常态下使用10年时的特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过测量隧穿电场来快速评价SONOS可靠性的方法，它简单、快速，并可用于批量测试。

为解决上述技术问题，本发明的通过测量隧穿电场来快速评价SONOS可靠性的方法，包括以下步骤：

1)测量SONOS的操作电压窗口与隧穿电场窗口的相关性参数；

2)在待测SONOS完成ONO成膜后，测量该ONO膜的正、负隧穿电场，并计算出隧穿电场窗口；

3)根据步骤2)的隧穿电场窗口和所述相关性参数，推导出该待测SONOS的操作电压窗口；

4)根据步骤3)的操作电压窗口，评价该待测SONOS的数据保持力特性。

所述步骤1)，进一步包括以下步骤：

11)测量多个SONOS样品ONO膜的正、负隧穿电场，并计算出各样品的隧穿电场窗口；

12)高温烘烤SONOS样品后，测量各样品的写入状态电子电压和擦除状态空穴电压，并计算出各样品的操作电压窗口；

13)对上述计算得到的窗口数据做线性拟合，获得操作电压窗口与隧穿电场窗口的相关性参数。

所述正、负隧穿电场的测量，包括以下步骤：

a)测出ONO膜的电学厚度；

b)利用Quantox，在ONO膜表面不断积累正电荷，并测量膜的表面电势，结合ONO膜的厚度，计算出正隧穿电场；

c)利用Quantox，在ONO膜表面不断积累负电荷，并测量膜的表面电势，结合ONO膜的厚度，计算出负隧穿电场。

本发明利用SONOS器件的电子/空穴逃逸机理与隧穿电场的测量方法相对应的机理，在完成ONO成膜后，就立刻通过测量ONO膜的正、负隧穿电场，对SONOS器件的Data Retention进行评价，而非传统的在产品做成后再进行，从而突破了传统的可靠性评价方法，简化了评价的工艺流程，大幅缩短了评价所需要的时间，并能够实现批量测试。

附图说明

图1是SONOS器件的电子逃逸机理示意图；

图2是用Quantox测试ONO膜的表面电势的原理示意图；

图3是图2的测试结果示意图，即ONO膜的表面电势与膜表面所加电荷的关系图；

图4是本发明实施例中，SONOS器件的操作电压窗口与隧穿电场窗口之间的线性关系图。

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图和实施例，详述如下：

SONOS器件的电子/空穴逃逸的机理主要分为两部分：温度相关项和时间相关项，其中，对SONOS器件的Data Retention影响较大的部分主要是一些时间相关的项，即与隧穿相关的项目，如图1所示，包括阱至能带隧穿(trap-to-bandtunneling，T-B)，阱至阱隧穿(trap-to-trap tunneling，T-T)，能带至阱隧穿(band to-trap tunneling，B-T)。

隧穿电场可以用Quantox(氧化薄膜电学参数即时测量技术)进行测量，测量原理是，Quantox使用电晕放电，将电荷放置在ONO膜及Kelvin探针上，以检测ONO膜的表面电势V_s，从图2中可以看出，表面电势V_s＝V_ox+Ψ_Si+V_trap+V_SiON，其中，V_ox为隧穿氧化层电势；Ψ_Si为硅基底的表面电势；V_trap+V_SiON为多晶硅-阻挡氧化层-氮化硅层(S_iON)的电势，是由隧穿电流所建立的内部电场。可见，用Quantox测出的隧穿电场，正好可以覆盖前述所有隧穿发生所需的电场和。当各层膜发生完全隧穿后，表面电势V_s将不再随ONO膜表面所积累的电荷量而发生变化，如图3所示，此时的表面电势V_s即为隧穿电势V_tun，而隧穿电场E_tun则可利用下列公式计算得到：

E_{tun} = \frac{| | V_{tun} |}{X_{tun}}

其中，X_tun为ONO(Oxide-Nitride-Oxide，氧化物-氮化物-氧化物)膜的电学厚度，可利用现有技术测量得到。

图3中，在ONO膜表面进行的是负电荷的积累，因此，得到的是负隧穿电场E^- _tun，即空穴隧穿电场。若在ONO膜表面进行的是正电荷的积累，则可以得到正隧穿电场E⁺ _tun，即电子隧穿电场。计算正、负隧穿电场的差值|E⁺ _tun-E^- _tun|，可获得隧穿电场窗口，它可以反映出电子隧穿与空穴隧穿的不同情况，而这正好可以和SONOS器件的V_tp和V_te相对应，由此，可以利用隧穿电场窗口的测量，来判断SONOS的Data Retention。

下面通过本发明的一个实施例，对本发明的方法进行详细地说明。

1、相关性参数的测量

取7个SONOS样品，用传统方法，分别测出每个样品ONO膜的电学厚度。

利用Quantox，在样品的ONO膜表面不断积累电荷，并测量ONO膜的表面电势。膜表面所加电荷范围为：-15e-06～15e-06C/cm²(此范围可根据产能或工艺控制上的需要进行优化调整)。

根据前述的隧穿电场计算方法，计算出每个SONOS样品的正隧穿电场和负隧穿电场，并由正、负隧穿电场的差值，得到每个样品的隧穿电场窗口。

在250℃高温下，烘烤SONOS样品11个小时后，测量每个样品的V_tp和V_te，然后，计算V_tp-V_te，得到每个样品10年时的操作电压窗口。

以10年时的操作电压窗口为纵坐标，隧穿电压窗口为横坐标作图，并用直线拟合数据点，如图4所示，由直线的斜率得到操作电压窗口与隧穿电场窗口的相关性参数。

2、可靠性评价

在待测SONOS器件完成ONO成膜后，首先，测出该ONO的电学厚度。

然后，利用Quantox，在该ONO膜表面进行正电荷的不断积累，得到正隧穿电场；再进行负电荷的不断积累，得到负隧穿电场。测试时，ONO膜表面所加电荷范围为：-15e-06～15e-06C/cm²。

根据测得的正、负隧穿电场，计算出该待测SONOS器件的隧穿电场窗口，然后，根据已获得的相关性参数，推导出该待测SONOS器件10年时的V_tp-V_te。判断该V_tp-V_te窗口是否大于300mV(最小可识别操作电压窗口)，若是，则表明该待测SONOS器件的Data Retention寿命可以达到10年。

采用本发明的方法后，对SONOS器件的可靠性评价就可以在ONO成膜后立刻进行，不需要再像传统的评价方法那样，必须等到产品做成后才能进行评价，而且，评价所需要的时间也得到了大幅的缩减，从而可以用于批量SONOS器件的可靠性测试，以提高测试的效率。

Claims

1.一种通过测量隧穿电场来评价硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅可靠性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅样品的隧穿电场窗口，然后在250℃下烘烤硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅样品，测量硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅样品的操作电压窗口，得到硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅样品的操作电压窗口与隧穿电场窗口的相关性参数；

2)在待测硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅完成氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜成膜后，测量该氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜的正、负隧穿电场，并计算出隧穿电场窗口；

3)根据步骤2)的隧穿电场窗口和所述相关性参数，推导出该待测硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅的操作电压窗口；

4)根据步骤3)的操作电压窗口，评价该待测硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅的数据保持力特性。

2.如权利要求1所述的评价硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅可靠性的方法，其特征在于，所述步骤1)，进一步包括以下步骤：

11)测量多个硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅样品氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜的正、负隧穿电场，并计算出各样品的隧穿电场窗口；

12)测量各样品的写入状态电子电压和擦除状态空穴电压，并计算出各样品的操作电压窗口；

3.如权利要求1或2所述的评价硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅可靠性的方法，其特征在于，所述正、负隧穿电场的测量，包括以下步骤：

a)测出氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜的电学厚度；

b)利用氧化薄膜电学参数即时测量技术，在氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜表面不断积累正电荷，并测量膜的表面电势，结合氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜的厚度，计算出正隧穿电场；

c)利用氧化薄膜电学参数即时测量技术，在氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜表面不断积累负电荷，并测量膜的表面电势，结合氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜的厚度，计算出负隧穿电场。

4.如权利要求3所述的评价硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅可靠性的方法，其特征在于：氧化膜-氮化膜-氧化膜共生膜表面所加的电荷密度范围为-15e-06～15e-06C·cm^-2。

5.如权利要求1所述的评价硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅可靠性的方法，其特征在于：步骤1)，烘烤硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅样品11小时。

6.如权利要求2所述的评价硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅可靠性的方法，其特征在于：步骤13)中，所述线性拟合为直线拟合，所述相关性参数为操作电压窗口与隧穿电场窗口的比值。