CN103390568B - 一种监控mos器件阈值电压漂移的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种监控MOS器件阈值电压漂移的方法，属于半导体器件的测试技术领域。该方法中，在栅介质层制备完成后，在线监测该硅片的Qtot和/或Dit值，并通过Qtot和/或Dit值预测该硅片所制备的MOS器件的阈值电压漂移；其中，Qtot表示所述栅介质层内部的所有电荷，Dit表示所述栅介质层与硅衬底之间的界面态密度。该监控方法时效性好，有利于减少因阈值电压漂移对产品良率产生的影响。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件的测试技术领域，涉及一种能有效提前实现对MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体）器件的阈值电压漂移进行监控的方法。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，工艺技术代不断提升，工艺步骤越多（流片时间越长），MOS器件的特征尺寸不断减小，栅介质层的厚度也不断减小。根据MOS器件的阈值电压（VTH）计算原理，随着工艺技术代的进步，制造过程中的各种因素对阈值电压的影响也越发明显，这样将反映在阈值电压的漂移上。因此，为提高产品良率，监控阈值电压漂移显得愈发重要。一般情况下，如果发现阈值电压漂移，则需要在工艺等方面作出调整以避免阈值漂移。
MOS器件的CV（电容-电压）曲线测量是表征MOS器件的阈值电压的重要手段。从CV曲线中，可以反映出MOS电容的平带电压（VFB），VFB为MOS结构中半导体表面能带拉平（呈平带状态）所需要外加的电压，根据阈值电压的物理原理，VFB可以理解为阈值电压的组成部分之一，因此，平带电压漂移时，MOS器件的阈值电压基本也将产生漂移。
为监控MOS器件阈值电压的漂移，通常在MOS器件的制造过程引入WAT（WaferAcceptTest，晶圆可接受测试）测试过程，通过测量MOS器件的CV（电容-电压）曲线，如果发现其平带电压（VFB）有漂移，可以反映出阈值电压也存在漂移。当前半导体制造厂中，MOS器件的制备工艺复杂，工艺步骤多，从完成栅介质层制备到完成WAT测试，时间间隔比较长（一般制造厂中达到1个月）并且基本已经完成了MOS器件的制备工艺，而在这个时间间隔范围内，可能在制造厂的生产线上已经完成许多片（例如上万片）栅介质层的制备，如果测试出阈值电压漂移严重的话，这段时间间隔内所制造MOS器件很可能都存在阈值电压漂移现象，这样严重浪费产能并大大降低良率。因此，现有的这种监控方法中，对阈值电压漂移的监控滞后，已经不能满足半导体制造的要求。
有鉴于此，有必要提出一种新的监控MOS器件阈值电压漂移的方法。
发明内容
本发明的目的在于，提早监控MOS器件阈值电压的漂移。
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以一种监控MOS器件阈值电压漂移的方法，其中，在栅介质层制备完成后，在线监测该硅片的Qtot和/或Dit值，并通过Qtot和/或Dit值预测该硅片所制备的MOS器件的阈值电压漂移；
其中，Qtot表示所述栅介质层内部的所有电荷，Dit表示所述栅介质层与硅衬底之间的界面态密度。
按照本发明一实施例的监控方法，其中，该方法包括以下步骤：
在硅片的硅衬底上完成栅介质层制备；
将该硅片置于测试机台上，并向该硅片的表面偏置电荷；
光照射所述硅衬底的表面；
测量该硅片的Vs，得出Qbias-Vs关系曲线；
根据Qbias-Vs关系曲线计算得出Qbias-SPV关系曲线；
根据Qbias-SPV关系曲线计算得出Qtot；
根据Qtot和Qbias-Vs关系曲线计算得出Dit；
分别判断Qtot和/或Dit是否偏离其相应的预定范围值；
如果判断为“是”，则表述该硅片所制备形成的MOS器件的阈值电压将漂移；
其中，Qbias表示硅片的表面偏置电荷，Vs表示硅片的表面电压，SPV表述硅片的表面光电压。
优选地，在计算Qtot时，Qtot=-Qbias︱SPV=0。
优选地，所述硅片中设置哑片，在线监测所述哑片的Qtot和/或Dit值以反映所述硅片的Qtot和/或Dit值。
本发明的技术效果是，该监控方法可以在栅介质层制备完成后即可完成，实现了在线有效监控，提高了监控的时效性，有利于减少因阈值电压漂移对产品良率产生的影响。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1是按照本发明一实施例提供的监控MOS器件阈值电压漂移的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
通过申请人分析发现，影响MOS器件的平带电压（VFB）的因素主要包括：Qtot和Dit；其中Qtot表示栅介质层内部的所有电荷，包括固定电荷、栅介质层中的可运动电荷、电离陷阱等；Dit表示栅介质层与沟道衬底之间的界面态密度。并且通过实验发现，在阈值电压发生漂移时，VFB也产生漂移，相应地，Qtot和/或Dit也出现了异常。
图1所示为按照本发明一实施例提供的监控MOS器件阈值电压漂移的方法的流程示意图。在该方法实施例中，申请人根据以上发现，通过在线测量或监测Qtot和Dit，来预先获知该硅片上将制备形成的芯片中的MOS器件的阈值电压是否会发生漂移，而不是等硅片在跑完所有MOS制备工艺过程中，才进行WAT测试来监控其阈值电压情况。因此，阈值电压的监控可以相对于MOS器件的制备工艺流程提早。具体地，图1所示实施例的方法中包括以下具体步骤。
首先，步骤S110，在硅片的硅衬底上完成栅介质层的制备。在该步骤中，需要在其上制备MOS器件的硅片一般为多片，其采用同样工艺步骤和工艺条件，一般地为按批次进行，在该实施例中，对其中一批次的硅片上欲形成的MOS器件的阈值电压进行提前监控，在该批次的硅片中，可以设置用来测试Qtot和/或Dit的哑片（DummyWafer），通过该哑片测试的结果基本反映该批次硅片的Qtot和/或Dit；当然，该哑片还可以用作其他测试等。
进一步，步骤S120，将哑片置于测试机台上，并向哑片表面偏置电荷Qbias。在该实施例中，测试的机台采用QUANTOX测试机台，通过该机台向硅片上偏置电荷，例如，采用扫描偏置的方式偏置电荷，其扫描的范围例如可以为-5E7C/cm2至5E7C/cm2。在该步骤中，在栅介质层制备结束后即开始测量，实现了在线测量。
进一步，步骤S130，强光照射硅衬底表面。在该步骤中，利用了硅片的光生载流子效应。当强光瞬间照射在硅衬底表面时，在硅衬底内部会产生非平衡的载流子分布，进而会改变表面电势。在该实施例中，照射光强的强度大致为发光设备被偏置在0.5V至3V的范围内所发出的光强。
进一步，步骤S140，强光照射硅衬底表面后，测量哑片表面电压Vs，得出Qbias-Vs关系曲线。在该步骤中，测量过程中并不进行强光照射；测量表面电压Vs后，本领域技术人员可以获得Qbias-Vs关系曲线。
进一步，步骤S150，根据Qbias-Vs关系曲线计算得出Qbias-SPV关系曲线，其中SPV为表面光电压。在该步骤中，在Qbias-Vs关系曲线已经给出的情况下，本领域技术人员，可以计算得出Qbias-SPV关系曲线。
进一步，步骤S160，根据Qbias-SPV关系曲线计算得出Qtot。在Qbias-SPV关系曲线中，在SPV=0时，其对应的Qbias与栅介质层中的Qtot大小相等，SPV=0处所对应的Qbias即为Qtot的大小（即Qtot=-Qbias︱SPV=0）。
进一步，步骤S170，根据Qtot以及Qbias-Vs关系曲线计算得出Dit。在该实施例中，在Qbias轴上，在0至-Qtot范围内对应的Qbias-Vs关系曲线中，计算其曲线段的延伸段的斜率来计算得出Qit。
进一步，步骤S180，判断Qtot和Dit是否偏离预定范围值。在该步骤中，Qtot和Dit都分别对应有一个预定范围值，在阈值电压正常时（也即平带电压基本正常时），Qtot和Dit分别应该在预定范围值内变动。该预定范围值可以根据阈值电压大小、冗余漂移范围等因素来确定。如果Qtot偏离其预定范围值，和/或者Dit偏离其预定范围值，则表明基于该栅介质层形成的MOS器件的阈值电压将会发生漂移，其一般可以在其WAT测试的CV曲线测试中得到相应验证。
进一步，步骤S190，如果判断为“是”，该批次硅衬底所制备形成的芯片的MOS器件的阈值电压将漂移。在该步骤中，通过测量哑片，可以反映该批次硅片制备形成的芯片的MOS器件的阈值电压情况。在阈值电压将漂移的情况下，可以停止MOS器件的制备，调整制备工艺参数等来实现阈值电压的正常。这样，在发现阈值电压产生漂移之前，防止了过多的硅片被加工制造，有利于提高良率，降低成本。
同时，步骤S210，如果判断为“否”监控反馈阈值电压将正常；继续进行MOS器件制备的其他工艺步骤。
至此，实现了对MOS器件的阈值电压漂移的监控。通过以上监控方法过程可以发现，Qtot和Dit的测量可以在线实现，例如，可以在栅介质层制备完成2小时内就可以测量出Qtot和Dit，欲形成的MOS器件的阈值电压得到提前监控（而不是等MOS器件完全形成后再监控），提高了监控的时效性，有利于减少因阈值电压漂移对产品良率产生的影响。
需要说明的是，在以上实施例中，Qtot表示所述栅介质层内部的所有电荷，Dit表示所述栅介质层与硅衬底之间的界面态密度，Qbias表示硅片的表面偏置电荷，Vs表示硅片的表面电压，SPV表述硅片的表面光电压。
需要说明的是，申请人发现，在Qtot和Dit中的一个偏离其对应的预定范围值时，基本会对应出现阈值电压漂移情形，因此，在其他实施例中，也可以仅监控测量Qtot和Dit中的一个来实现对MOS器件的阈值电压进行监控。
以上例子主要说明了本发明的监控MOS器件阈值电压漂移的方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (3)
1.一种监控MOS器件阈值电压漂移的方法，其特征在于，在栅介质层制备完成后，在线监测硅片的Qtot和/或Dit值，并通过Qtot和/或Dit值预测该硅片所制备的MOS器件的阈值电压漂移；
其中，Qtot表示所述栅介质层内部的所有电荷，Dit表示所述栅介质层与硅衬底之间的界面态密度，其中，该方法包括以下步骤：
在硅片的硅衬底上完成栅介质层制备；
将该硅片置于测试机台上，并向该硅片的表面偏置电荷；
光照射所述硅衬底的表面；
测量该硅片的Vs，得出Qbias-Vs关系曲线；
根据Qbias-Vs关系曲线计算得出Qbias-SPV关系曲线；
根据Qbias-SPV关系曲线计算得出Qtot；
根据Qtot和Qbias-Vs关系曲线计算得出Dit；
分别判断Qtot和/或Dit是否偏离其相应的预定范围值；
如果判断为“是”，则表述该硅片所制备形成的MOS器件的阈值电压将漂移；
其中，Qbias表示硅片的表面偏置电荷，Vs表示硅片的表面电压，SPV表述硅片的表面光电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算Qtot时，Qtot=-Qbias︱SPV=0。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片中设置哑片，在线监测所述哑片的Qtot和/或Dit值以反映所述硅片的Qtot和/或Dit值。
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