專利名稱：半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子器件幾何尺寸的縮小，集成電路特性對(duì)微細(xì)缺陷更加敏感，各種工藝技術(shù)越來(lái)越接近其基本可靠性極限，可靠性問(wèn)題越來(lái)越突出。其中，負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性(NBTI,Negative Bias TemperatureInstabiIity)是影響 MOS 器件可靠性的重要因素。由NBTI效應(yīng)引發(fā)的PMOS退化逐漸成為影響器件壽命的主要因素，它比由熱載流子效應(yīng)引發(fā) 的NMOS壽命退化更為嚴(yán)重。NBTI效應(yīng)是由于在高溫下(通常> 100°C )對(duì)PMOS柵極施加一定的負(fù)柵壓偏置所造成的，并且這種情況在器件老化和工作過(guò)程中都可能遇到。NBTI效應(yīng)造成的影響表現(xiàn)為飽和漏電流和跨導(dǎo)不斷減小，閾值電壓漂移不斷增大，亞閾值斜率不斷減小。這些參數(shù)的變化可能會(huì)增加時(shí)序電路中的信號(hào)延遲，從而導(dǎo)致時(shí)序漂移。在模擬集成電路，特別是在一些參數(shù)匹配的應(yīng)用中，電路工作條件會(huì)對(duì)匹配的晶體管施加非對(duì)稱的偏置應(yīng)力，從而導(dǎo)致明顯的參數(shù)失配，這將導(dǎo)致老化過(guò)程中成品率的降低和工作條件下器件性能的變壞。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，當(dāng)MOS器件的柵氧厚度小于一定數(shù)量后，NBTI效應(yīng)將超過(guò)其它各種因素的影響，成為器件壽命的主要影響機(jī)制。因此，為了準(zhǔn)確地評(píng)估產(chǎn)品及檢驗(yàn)產(chǎn)品，目前的可靠性測(cè)試中一般都包括NBTI測(cè)試。請(qǐng)參考圖I至圖2，其中，圖I為傳統(tǒng)的NBTI測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為傳統(tǒng)的NBTI測(cè)試過(guò)程中器件柵極所加的電壓示意圖。如圖I及圖2所示，傳統(tǒng)的NBTI測(cè)試首先在MOS器件的柵極g加應(yīng)力負(fù)偏壓Vstress,此時(shí),柵極g接應(yīng)力負(fù)偏壓Vstress,體區(qū)b接地GND,即柵極電壓Vg = Vstress,體電壓Vb = GND ;然后撤去所述應(yīng)力負(fù)偏壓Vstress,并加測(cè)試電壓進(jìn)行器件電性參數(shù)測(cè)試，此時(shí)，柵極g和漏極d均接測(cè)試電壓Vmeasure，體區(qū)b和源極s均接地GND,即Vg = Vd = Vstress, Vb = Vs = GND,其中，Vd為漏極電壓，Vs為源極電壓；并且在撤去所述應(yīng)力負(fù)偏壓之后至加測(cè)試電壓Vmeasure之前，所述柵極g上的偏壓為零，即接地GND，通常將上述柵極接地GND的這一段時(shí)間稱為等待時(shí)間Twait，這是由測(cè)試機(jī)臺(tái)的硬件特性決定的。然而，由于NBTI效應(yīng)存在嚴(yán)重的恢復(fù)(Recovery)效應(yīng)，即NBTI效應(yīng)引起的電性參數(shù)衰退在撤去電場(chǎng)條件后最多可以恢復(fù)80%，即使是在電場(chǎng)條件撤去后的I秒鐘以內(nèi)，就可以恢復(fù)50%，而上述傳統(tǒng)的NBTI測(cè)試方法在撤去應(yīng)力負(fù)偏壓至加測(cè)試電壓的這一段過(guò)程中，柵極g是接地GND的，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的NB TI測(cè)試存在嚴(yán)重的恢復(fù)效應(yīng)，使得后續(xù)進(jìn)行的器件電性參數(shù)測(cè)試不能準(zhǔn)確地反映器件的NBTI效應(yīng)造成的影響。為了解決這一問(wèn)題，目前采取的措施有(I)通過(guò)調(diào)整機(jī)臺(tái)參數(shù)，盡量縮短等待時(shí)間Twait，然而由于等待時(shí)間Twait是由機(jī)臺(tái)硬件決定的，因此縮短量有限；(2)采用瞬時(shí)測(cè)試方法(On-the-fly method)，在該方法中，器件柵極所加的電壓示意圖如圖3所示，在NBTI的測(cè)試過(guò)程中，器件柵極g的電壓直接由應(yīng)力負(fù)偏壓Vstress降至測(cè)試電壓Vmeasure，而不經(jīng)過(guò)接地GND的過(guò)程，因此，可避免在NBTI測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生恢復(fù)效應(yīng)。然而所述瞬時(shí)測(cè)試方法在進(jìn)行娃片級(jí)可靠性(WLR, WaferLevel Reliability)測(cè)試時(shí)，需要特殊的源測(cè)量單元(SMU, Power SourceMeasure Unit),所述源測(cè)量單元不能在傳統(tǒng)的測(cè)試機(jī)臺(tái)上使用；并且對(duì)于封裝級(jí)可靠性(PLR, Package Level Reliability)測(cè)試來(lái)說(shuō)，由于并行測(cè)試的限制，該瞬時(shí)測(cè)試方法很難得到應(yīng)用。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的NBTI測(cè)試進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法，以提高NBTI測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體器件包括柵極、源極、漏極以及體電極，所述柵極與一偏壓輸出裝置相連，當(dāng)所述柵極上加應(yīng)力負(fù)偏壓或測(cè)試電壓時(shí)，所述偏壓輸出裝置不影響所述柵極上的電壓；當(dāng)所述柵極上的電壓由應(yīng)力負(fù)偏壓轉(zhuǎn)向測(cè)試電壓的期間或者由測(cè)試電壓轉(zhuǎn)向應(yīng)力負(fù)偏壓的期間，所述偏壓輸出裝置向所述柵極輸出一維持電壓，且所述維持電壓的值小于零?？蛇x的，所述偏壓輸出裝置包括依次串聯(lián)的第一電阻、二極管以及第二電阻；所述第一電阻的一端接一第一偏壓，其另一端接所述二極管；所述第二電阻與所述二極管串聯(lián)的一端接所述柵極，其另一端接所述應(yīng)力負(fù)偏壓或者測(cè)試電壓；當(dāng)所述第二電阻另一端的電壓由應(yīng)力負(fù)偏壓轉(zhuǎn)向測(cè)試電壓的期間或者由測(cè)試電壓轉(zhuǎn)向應(yīng)力負(fù)偏壓的期間，所述二極管開(kāi)啟，其它情況下，所述二極管斷開(kāi)?？蛇x的，所述維持電壓的計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體器件包括柵極、源極、漏極以及體電極，其特征在于，所述柵極與一偏壓輸出裝置相連，當(dāng)所述柵極上加應(yīng)力負(fù)偏壓或測(cè)試電壓時(shí)，所述偏壓輸出裝置不影響所述柵極上的電壓；當(dāng)所述柵極上的電壓由應(yīng)力負(fù)偏壓轉(zhuǎn)向測(cè)試電壓的期間或者由測(cè)試電壓轉(zhuǎn)向應(yīng)力負(fù)偏壓的期間，所述偏壓輸出裝置向所述柵極輸出一維持電壓，且所述維持電壓的值小于零。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述偏壓輸出裝置包括依次串聯(lián)的第一電阻、二極管以及第二電阻；所述第一電阻的一端接一第一偏壓，其另一端接所述二極管；所述第二電阻與所述二極管串聯(lián)的一端接所述柵極，其另一端接所述應(yīng)力負(fù)偏壓或者測(cè)試電壓；當(dāng)所述第二電阻另一端的電壓由應(yīng)力負(fù)偏壓轉(zhuǎn)向測(cè)試電壓的期間或者由測(cè)試電壓轉(zhuǎn)向應(yīng)力負(fù)偏壓的期間，所述二極管開(kāi)啟，其它 情況下，所述二極管斷開(kāi)。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述維持電壓的計(jì)算公式為
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于，R2> R10
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于，R2〉5R10
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一偏壓的絕對(duì)值小于所述測(cè)試電壓的絕對(duì)值，所述測(cè)試電壓的絕對(duì)值小于所述應(yīng)力負(fù)偏壓的絕對(duì)值，當(dāng)所述柵極電壓的絕對(duì)值小于所述第一偏壓的絕對(duì)值時(shí)，所述二極管開(kāi)啟。
7.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)所述柵極接應(yīng)力負(fù)偏壓時(shí)，所述體電極接地；當(dāng)所述柵極接測(cè)試電壓時(shí)，所述漏極接測(cè)試電壓，且所述源極與所述體電極接地。
8.一種半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試方法，利用權(quán)利要求I至7任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，其特征在于，該方法包括如下步驟 (1)將所述半導(dǎo)體器件的柵極接應(yīng)力負(fù)偏壓，使所述柵極處于負(fù)偏置應(yīng)力作用下； (2)撤去所述應(yīng)力負(fù)偏壓，往所述柵極加維持電壓； (3)撤去所述維持電壓，將所述柵極接測(cè)試電壓，對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行電性能測(cè)試。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一偏壓輸出裝置，該偏壓輸出裝置在器件柵極電壓由應(yīng)力負(fù)偏壓轉(zhuǎn)向測(cè)試電壓或由測(cè)試電壓轉(zhuǎn)向應(yīng)力負(fù)偏壓的期間，向柵極輸出一小于零的維持電壓，從而在整個(gè)NBTI的測(cè)試過(guò)程中，柵極均接有負(fù)偏壓，因此可避免恢復(fù)效應(yīng)的產(chǎn)生，提高NBTI測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；同時(shí)，本發(fā)明還公開(kāi)了一種半導(dǎo)體器件負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性的測(cè)試方法，該方法通過(guò)在所述柵極上的電壓由應(yīng)力負(fù)偏壓轉(zhuǎn)向測(cè)試電壓或由測(cè)試電壓轉(zhuǎn)向應(yīng)力負(fù)偏壓的期間，向所述柵極輸出一小于零的維持電壓，從而在整個(gè)NBTI的測(cè)試過(guò)程中，所述柵極均接有負(fù)偏壓，因此可避免恢復(fù)效應(yīng)的產(chǎn)生，提高NBTI測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102736006SQ20111008419
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者馮軍宏 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司