專利名稱：Mos器件熱載流子注入效應(yīng)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量方法，尤其是指一種用于測量亞微米和深亞微米集成電路中MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代亞微米和深亞微米集成電路中，熱載流子注入效應(yīng)是MOSFET的一個重要失效機(jī)理。高能載流子，也稱為熱載流子，產(chǎn)生于MOSFET管的漏極的大溝道電場，這個溝道電場會加速熱載流子，使其有效溫度高于晶格的溫度。這些熱載流子通過聲子發(fā)射把能量傳遞給晶格，這會造成在Si/SiO2界面處能鍵的斷裂，熱載流子也會注入到SiO2中而被俘獲。鍵的斷裂和被俘獲的載流子會產(chǎn)生氧化層電荷和界面態(tài)，這會影響溝道載流子的遷移率和有效溝道勢能。能量達(dá)到甚至超過SiO2-Si勢壘(3.2eV)便會注入到SiO2中去，當(dāng)能量等于或大于4.2eV時就會打斷共價鍵而產(chǎn)生界面陷阱，這就是熱載流子注入效應(yīng)。
現(xiàn)有MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法，一般會采用美國Keithley公司生產(chǎn)的4200-SCS測量儀或Agilent生產(chǎn)的HP4155A及以上系列的半導(dǎo)體參數(shù)測量儀。
Keithley公司生產(chǎn)的4200-SCS測量儀是一臺測量精度很高的自動測量設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作系統(tǒng)，通過在被測器件上施加電流、電壓應(yīng)力，被測器件的I-V特性、ID-VD特性曲線、閾值電壓、跨導(dǎo)等測量數(shù)據(jù)以EXCEL電子表格或文本形式輸出，內(nèi)置的公式編輯、圖表功能可以將復(fù)雜的分析簡化，可以進(jìn)行一些基本的數(shù)據(jù)處理，以圖表形式顯示計算結(jié)果。使用4200-SCS測量儀的測量方法按如下步驟進(jìn)行
步驟A從4200-SCS測量儀的器件庫中選擇一個器件圖形，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定器件的漏、棚極的應(yīng)力條件；步驟B換上被測器件，對各個管腳上施加的應(yīng)力進(jìn)行定義，確定器件所受的應(yīng)力條件；步驟C單擊4200-SCS測量儀屏幕上的運(yùn)行鍵，4200-SCS測量儀開始測量，并可看到實時測量圖形；步驟D測量數(shù)據(jù)以EXCEL電子表格或文本形式存貯在4200-SCS測量儀的磁盤上，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與參數(shù)的提取。
測量數(shù)據(jù)的威布爾分布或?qū)?shù)正態(tài)分布涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，不能通過簡單的變量運(yùn)算得出結(jié)果，4200-SCS測量儀不能進(jìn)行此類數(shù)據(jù)特性的處理，需要采用專用的可靠性數(shù)據(jù)處理軟件分析測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布特性。
這種使用4200-SCS測量儀的測量方法有一個很大的缺陷在于該測量方法一次能同時測量的器件數(shù)量很少。即使配合4200-SCS測量儀內(nèi)置的開關(guān)陣列一次最多也只有同時測量20個器件，對于超過20個器件的測量則需要分批測量，這樣將會花費較長的時間。
而且，4200-SCS測量儀在測量過程中一旦發(fā)生意外而中止，被測器件則不能夠再次使用，在此之前測量的數(shù)據(jù)也可能丟失。
另外，加速應(yīng)力條件下的測量往往電流值較大，根本不需要很高的測量精度，而4200-SCS測量儀因其測量精度很高而導(dǎo)致其售價很高，進(jìn)而導(dǎo)致該使用4200-SCS測量儀的測量方法成本較高。
Agilent公司生產(chǎn)的HP4155A及以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀，DOS操作系統(tǒng)，帶有一個測試盒，并帶有4至6路電壓源/電流源。使用HP4155A半導(dǎo)體參數(shù)測量儀的測量方法按如下步驟進(jìn)行步驟A根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用HP4155A確定器件的漏、柵極的電壓值；步驟B編輯熱載流子退化測量程序，填寫各個管腳上施加的應(yīng)力值，確定器件所受的應(yīng)力條件，應(yīng)力設(shè)置完成后存盤退出；
步驟C換上被測器件，在HP4155A半導(dǎo)體參數(shù)測量儀的面板上按DISPLAY鍵2次，顯出程序運(yùn)行界面，按GET鍵然后鍵入程序名，在HP4155A上調(diào)出軟盤上的BASIC語言編寫的熱載流子退化測量程序；步驟D單擊屏幕上的RUN鍵后，HP4155A半導(dǎo)體參數(shù)測量儀開始進(jìn)行測量，并在顯示屏上顯示時間節(jié)點處的參數(shù)退化圖形，整個測量過程均在HP4155A半導(dǎo)體參數(shù)測量儀上進(jìn)行；步驟E測量數(shù)據(jù)以文本形式記錄下來，需要在工作電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與參數(shù)的提取。
同樣，測量數(shù)據(jù)的威布爾分布或?qū)?shù)正態(tài)分布涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，不能通過簡單的變量運(yùn)算得出結(jié)果，HP4155A及以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀中不能進(jìn)行此類數(shù)據(jù)特性的處理，需要采用專用的可靠性數(shù)據(jù)處理軟件分析測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布特性。
但是，這種使用HP4155A及以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀的測量方法同樣存在一個很大的缺陷就是，一次只能測量一個器件。
對于多個器件的測量，Agilent公司提供了一種測量方法，就是利用6626A電源、E5250A開關(guān)陣列和HP4155B半導(dǎo)體參數(shù)測量儀三個設(shè)備搭建成一個測量系統(tǒng)，最多可同時測量128個MOS器件。但是，因為E5250A開關(guān)陣列的開關(guān)輸入/輸出端口是三芯電纜連接口，加到MOS器件上的電壓從E5250A開關(guān)陣列中輸出后，經(jīng)過三芯電纜，送到一塊電纜轉(zhuǎn)換板上，經(jīng)過連接線轉(zhuǎn)換后，再送至與MOS器件相對應(yīng)的插座上，因此還得額外定制一個機(jī)柜，用于固定電纜轉(zhuǎn)換板和放置MOS器件的插座，使得相應(yīng)的應(yīng)力電壓能夠加到對應(yīng)的MOS器件的管腳上。所以這種測量方法所使用的測量系統(tǒng)，搭建很繁瑣而且成本較高，在實踐中難以使用。而且，由于連接線較多，在測量時容易出現(xiàn)斷線、接觸不良等可靠性問題。
另外，這種測量方法在測量過程中一旦發(fā)生意外而中止，雖然只要中止時間內(nèi)器件的特性不明顯恢復(fù)，器件能夠再次使用，但需要修改測量程序中的時間節(jié)點部分，處理過程較麻煩，在此之前測量的數(shù)據(jù)也可能丟失。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在于提供一種成本較低、可同時測量多個器件且測量數(shù)量不會因測量過程意外中止而丟失的MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法，采用Agilent公司生產(chǎn)的HP4155A或其以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀、一塊自制的帶多個插座的電路板和一個兩通道的輔助電壓源所組成的測量系統(tǒng)，再加上用BASIC語言編寫的批量數(shù)據(jù)測量與記錄程序，按如下步驟進(jìn)行步驟A根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用HP4155A確定待測器件的漏、柵極的應(yīng)力電壓值；步驟B在HP4155A的面板上按DISPLAY鍵2次，顯出程序運(yùn)行界面，按GET鍵然后鍵入程序名，在HP4155A上調(diào)出軟盤上的BASIC語言編寫的數(shù)據(jù)記錄程序，測量每個器件的初始參數(shù)值；步驟C將測量過初始值的多個待測器件放入電路板的插座中，調(diào)整兩通道輔助電壓源的電壓值分別至對應(yīng)的漏、柵極的應(yīng)力電壓數(shù)值，先在電路板上通過對應(yīng)引線，在器件的漏極加上應(yīng)力電壓，再在電路板上通過對應(yīng)引線，在器件的柵極加上應(yīng)力電壓，接上柵極應(yīng)力電壓的同時開始計算應(yīng)力電壓作用時間；步驟D在10秒、20秒、50秒、100秒、200秒、500秒、1000秒、2000秒，5000秒后等時間點處關(guān)斷兩通道的輔助電壓源的電壓應(yīng)力，將MOS管分別從電路板上撥下，在HP4155A上快速測量指定參數(shù)的退化量，通過編制的一個數(shù)據(jù)批量測量與記錄程序，把每次測量的每個器件的參數(shù)退化量數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)記錄下來；步驟E一次測量記錄完畢以后，再將所有的MOS管插回原來的電路板插座上，加上相應(yīng)的電壓應(yīng)力，繼續(xù)進(jìn)行下一步的應(yīng)力電壓加速器件退化過程至到下一個時間節(jié)點處停止應(yīng)力，將MOS管分別從電路板上撥下，在HP4155A上測量與記錄退化的數(shù)據(jù)。如此反復(fù)，直到退化量達(dá)到需要的目標(biāo)值時為止，HP4155A僅起數(shù)據(jù)記錄與測量作用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法采用售價較低的Agilent公司生產(chǎn)的HP4155A或其以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀作為參數(shù)測量設(shè)備，另外僅需配備一塊自制的帶多個插座的電路板和一個兩通道的輔助電壓源，成本較低。
因電路板上帶有多個插座，再配合以用BASIC語言編寫的批量數(shù)據(jù)測量與記錄程序，即可同時測量多個器件。
因是半手工測量，測量過程一旦意外中止，對器件的影響小，只要中止時間內(nèi)器件的特性不明顯恢復(fù)，所有器件仍然可用，而且數(shù)據(jù)記錄程序是把每一次的測量數(shù)據(jù)都存盤，在此之前測量的數(shù)據(jù)也不會丟失。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法的電路工作原理方框圖。
圖2為本發(fā)明MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法的電路工作原理圖。
具體實施方式請參見圖1至圖2所示，本發(fā)明MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法采用Agilent公司生產(chǎn)的HP4155A或其以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀(在本實施方式中用HP4155A半導(dǎo)體參數(shù)測量儀進(jìn)行舉例說明)、一塊自制的帶多個(在本實施方式中為50個)插座的電路板和一個兩通道的輔助電壓源所組成的測量系統(tǒng)，再加上用BASIC語言編寫的批量數(shù)據(jù)測量與記錄程序，按如下步驟進(jìn)行步驟A根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用HP4155A確定待測器件的漏、柵極的應(yīng)力電壓值；步驟B在HP4155A的面板上按DISPLAY鍵2次，顯出程序運(yùn)行界面，按GET鍵然后鍵入程序名，在HP4155A上調(diào)出軟盤上的BASIC語言編寫的數(shù)據(jù)記錄程序，測量每個器件的初始參數(shù)值；步驟C將測量過初始值的多個待測器件放入電路板的插座中，調(diào)整兩通道輔助電壓源的電壓值分別至對應(yīng)的漏、柵極的應(yīng)力電壓數(shù)值，先在電路板上通過對應(yīng)引線，在器件的漏極加上應(yīng)力電壓，再在電路板上通過對應(yīng)引線，在器件的柵極加上應(yīng)力電壓，接上柵極應(yīng)力電壓的同時開始計算應(yīng)力電壓作用時間；步驟D在10秒、20秒、50秒、100秒、200秒、500秒、1000秒、2000秒，5000秒后等時間點處關(guān)斷兩通道的輔助電壓源的電壓應(yīng)力，將MOS管分別從電路板上撥下，在HP4155A上快速測量指定參數(shù)的退化量，通過編制的一個數(shù)據(jù)批量測量與記錄程序，把每次測量的每個器件的參數(shù)退化量數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)記錄下來；步驟E一次測量記錄完畢以后，再將所有的MOS管插回原來的電路板插座上，加上相應(yīng)的電壓應(yīng)力，繼續(xù)進(jìn)行下一步的應(yīng)力電壓加速器件退化過程至到下一個時間節(jié)點處停止應(yīng)力，將MOS管分別從電路板上撥下，在HP4155A上測量與記錄退化的數(shù)據(jù)。如此反復(fù)，直到退化量達(dá)到需要的目標(biāo)值時為止，HP4155A僅起數(shù)據(jù)記錄與測量作用。
運(yùn)行于HP4155A上的數(shù)據(jù)記錄程序在HP4155A關(guān)斷電源至下一次測量時，仍可通過查找測量點數(shù)，按器件的順序繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)以文本形式記錄下來，需要在工作電腦上用專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性分析與參數(shù)的提取。
電路板上各MOS管的插座位置并聯(lián)排列，各個插座的管腳引線一一對應(yīng)連接在一起，以保證相同的應(yīng)力電壓能同時加在待測的MOS管上。為了防止柵極擊穿時引起大電流的產(chǎn)生，在每個插座上安排了一個柵極電流限流電阻，有效保護(hù)電源。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法采用售價較低的Agilent公司生產(chǎn)的HP4155A或其以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀作為參數(shù)測量設(shè)備，另外僅需配備一塊自制的帶多個插座的電路板和一個兩通道的輔助電壓源，成本較低。
因電路板上帶有多個插座，再配合以用BASIC語言編寫的批量數(shù)據(jù)測量與記錄程序，即可同時測量多個器件。
因是半手工測量，測量過程一旦意外中止，對器件的影響小，只要中止時間內(nèi)器件的特性不明顯恢復(fù)，所有器件仍然可用，而且數(shù)據(jù)記錄程序是把每一次的測量數(shù)據(jù)都存盤，在此之前測量的數(shù)據(jù)也不會丟失。
下面是使用本發(fā)明MOS器件熱載流子注入效應(yīng)的測量方法為某公司提供的試驗樣品進(jìn)行一次熱載流子壽命試驗，試驗按照合同技術(shù)方案進(jìn)行，熱載流子壽命預(yù)測按照技術(shù)方案提供的方法進(jìn)行，試驗項目、方法及技術(shù)要求請參見表面上，試驗結(jié)果報告包括累積失效概率的對數(shù)正態(tài)分布圖、中位壽命MTF、預(yù)計工作應(yīng)力條件下累積失效概率為0.1％時的壽命，工作15年的累積失效概率。
表1 試驗項目、方法及技術(shù)要求
N管和P管的試驗數(shù)據(jù)列于表2和表3中，加速應(yīng)力和工作條件下的壽命值分別列于表4和表5中。
表2 N管的測試數(shù)據(jù)
表3 P管的測試數(shù)據(jù)
表4 加速應(yīng)力條件下的壽命值
表5 工作應(yīng)力條件下的壽命值
15年的工作時間是4.73×105(ks)，從失效概率分布的對數(shù)正態(tài)坐標(biāo)，N管工作15年的失效概率是99.96％，P管工作15年的失效概率小于0.0001％。
權(quán)利要求
1.一種MOS器件熱載流子注入效應(yīng)測量方法，其特征在于所述測量方法采用Agilent公司生產(chǎn)的HP4155A或其以上系列半導(dǎo)體參數(shù)測量儀、一塊自制的帶多個插座的電路板和一個兩通道的輔助電壓源所組成的測量系統(tǒng)，再加上批量數(shù)據(jù)測量與記錄程序，按如下步驟進(jìn)行A、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用測量儀確定待測器件的漏、柵極的應(yīng)力電壓值；B、在測量儀的面板上按DISPLAY鍵2次，顯出程序運(yùn)行界面，按GET鍵然后鍵入程序名，在測量儀上調(diào)出軟盤上的的批量數(shù)據(jù)測量與記錄程序，測量每個器件的初始參數(shù)值；C、將測量過初始值的多個待測器件放入電路板的插座中，調(diào)整兩通道輔助電壓源的電壓值為對應(yīng)的漏、柵極的應(yīng)力電壓數(shù)值送至電路板，以同時給待測器件的漏、柵極施加應(yīng)力電壓，然后開始計算應(yīng)力電壓作用時間；D、在10秒、20秒、50秒、100秒、200秒、500秒、1000秒、2000秒，5000秒后等時間點處關(guān)斷兩通道的輔助電壓源的電壓應(yīng)力，將MOS管分別從電路板上撥下，在測量儀上快速測量指定參數(shù)的退化量，通過編制的一個數(shù)據(jù)批量測量與記錄程序，把每次測量的每個器件的參數(shù)退化量數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)記錄下來；E、一次測量記錄完畢以后，再將所有的MOS管插回原來的電路板插座上，加上相應(yīng)的電壓應(yīng)力，繼續(xù)進(jìn)行下一步的應(yīng)力電壓加速器件退化過程至到下一個時間節(jié)點處停止應(yīng)力，將MOS管分別從電路板上撥下，在測量儀上測量與記錄退化的數(shù)據(jù)，如此反復(fù)，直到退化量達(dá)到需要的目標(biāo)值時為止，測量儀僅起數(shù)據(jù)記錄與測量作用。
2.如權(quán)利要求1所述的MOS器件熱載流子注入效應(yīng)測量方法，其特征在于在給待測器件的漏、柵極施加應(yīng)力電壓時，先在電路板上通過對應(yīng)引線，在器件的漏極加上應(yīng)力電壓，再在電路板上通過對應(yīng)引線，在器件的柵極加上應(yīng)力電壓，接上柵極應(yīng)力電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的MOS器件熱載流子注入效應(yīng)測量方法，其特征在于所述批量數(shù)據(jù)測量與記錄程序采用BASIC語言編寫。
全文摘要
一種MOS器件熱載流子注入效應(yīng)測量方法，首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用測量儀確定待測器件的漏、柵極的應(yīng)力電壓值；然后用測量儀測量每個器件的初始參數(shù)值，并用自行編制的數(shù)據(jù)記錄程序記下初始數(shù)據(jù)；接著將待測器件放入電路板的插座中，同時給待測器件的漏、柵極施加應(yīng)力電壓；在10秒、20秒、50秒后等時間點處關(guān)斷應(yīng)力電壓，將MOS管分別從電路板上撥下，用測量儀上快速測量指定參數(shù)的退化量并記錄下來；一次測量記錄完畢以后，將所有的MOS管插回原來的電路板插座上，再加上相應(yīng)的電壓應(yīng)力至下一個時間節(jié)點處停止應(yīng)力，將MOS管分別從電路板上撥下，在測量儀上測量與記錄退化的數(shù)據(jù)，如此反復(fù)，直到退化量達(dá)到需要的目標(biāo)值時為止，測量儀僅起數(shù)據(jù)記錄與測量作用。
文檔編號G01R31/26GK1588104SQ200410051148
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月19日
發(fā)明者章曉文 申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所