一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法
【專利摘要】一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法：在半導(dǎo)體器件柵端施加應(yīng)力電壓以K倍增加，在應(yīng)力施加過(guò)程中，柵電壓在VGstress_2和VGmeasure之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，漏電壓在0和VDmeasure之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，當(dāng)柵電壓為VGmeasure，漏電壓為VDmeasure時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流ID；將多次應(yīng)力下得到的ΔVth等效轉(zhuǎn)換到VGstress_1下的閾值電壓退化；計(jì)算出任意工作電壓VG下的等效應(yīng)力時(shí)間；對(duì)VG進(jìn)行遍歷，得到失效幾率隨VG的變化關(guān)系；對(duì)應(yīng)特征失效幾率的工作電壓VG即滿足半導(dǎo)體器件10年壽命的工作電壓VDD；根據(jù)目標(biāo)要求的特征失效幾率，確定VDD的值。本發(fā)明僅用一個(gè)半導(dǎo)體器件并且可以快速有效地提取目標(biāo)要求的失效幾率下的10年壽命對(duì)應(yīng)的VDD，提供了納米尺度半導(dǎo)體器件幾率性VDD有效的預(yù)測(cè)方法。
【專利說(shuō)明】一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子器件可靠性領(lǐng)域，涉及到納米尺度半導(dǎo)體器件10年壽命的工 作電壓的預(yù)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體技術(shù)中，半導(dǎo)體器件10年壽命對(duì)應(yīng)的工作電壓VDD (本文中，VDD表示半 導(dǎo)體器件10年壽命對(duì)應(yīng)的工作電壓）是一個(gè)重要的參數(shù)，決定著半導(dǎo)體器件的性能、功耗 等技術(shù)指標(biāo)。從另一方面來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體器件在10年壽命中的可靠性問(wèn)題，尤其是負(fù)偏置溫 度不穩(wěn)定性 NBTI (Negative Bias Temperature Instability),會(huì)嚴(yán)重影響 VDD 的確定。在 納米尺度下，NBTI會(huì)引入器件可靠性退化的動(dòng)態(tài)漲落，包括半導(dǎo)體器件與半導(dǎo)體器件之間 的漲落（Device-to-device variation, DDV)以及半導(dǎo)體器件在不同工作循環(huán)之間的漲落 (Cycle-to-cycle variation, CCV)。在DDV和CCV的影響下，如何預(yù)測(cè)納米尺度半導(dǎo)體器 件10年壽命對(duì)應(yīng)的工作電壓VDD，是納米尺度半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要問(wèn)題。
[0003] 在傳統(tǒng)大尺寸半導(dǎo)體器件中，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)是采用恒定電壓應(yīng)力方法（Constant voltage stress, CVS)來(lái)預(yù)測(cè)10年壽命對(duì)應(yīng)的工作電壓VDD。在納米尺度半導(dǎo)體器件中， CVS方法將不再適用，主要由于下面兩個(gè)原因：（1)CVS方法需要多個(gè)完全相同的半導(dǎo)體器 件，但是在納米尺度下，由于DDV的影響，完全相同的兩個(gè)半導(dǎo)體器件不再存在；（2)CVS方 法通常采用的是慢速測(cè)量，由于CCV的影響，納米尺度半導(dǎo)體器件在某一應(yīng)力電壓下性能 退化隨時(shí)間出現(xiàn)很大的漲落，導(dǎo)致傳統(tǒng)的冪函數(shù)關(guān)系擬合方法不再適用，無(wú)法確定該應(yīng)力 電壓下的壽命，進(jìn)而無(wú)法外推10年壽命對(duì)應(yīng)的工作電壓VDD。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種適用于納米尺度半導(dǎo)體器件10年壽命對(duì)應(yīng)的工作電 壓VDD的預(yù)測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，應(yīng)用于納米尺度的半導(dǎo)體器件，其 特征是，將待測(cè)半導(dǎo)體器件的源電壓v s與體電壓VB始終置為零，然后執(zhí)行如下測(cè)試步驟：
[0007] 第一步，在半導(dǎo)體器件柵端施加電壓ve_SUM，漏端施加電壓V D_S_，測(cè)量應(yīng)力前半 導(dǎo)體器件的漏端電流ΙΜ ;然后在柵端施加初始應(yīng)力電壓Vestass l，漏端處于零偏置，應(yīng)力時(shí) 間為Λ t，在應(yīng)力施加過(guò)程中，柵電壓在Vestess」和之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)漏電壓在0和 %__之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)；每個(gè)循環(huán)中，柵電壓為V fctass」的時(shí)間h的最大值要小于10ms ;當(dāng)柵 電壓為Veme;asure^||電壓為VD_sure時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流I D ;上述每一次循環(huán)對(duì)應(yīng)一次ID的監(jiān)測(cè)，將 此定義為一個(gè)測(cè)試循環(huán)；
[0008] 第二步，在柵端施加的應(yīng)力電壓以K倍增加，K> 1，即Vfctass 2 = K · vestoss」，漏 端仍處于零偏置，應(yīng)力時(shí)間仍為Λ t，在應(yīng)力施加過(guò)程中，柵電壓在Vfctass 2和Ve_SUM之 間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)漏電壓在0和VD_ SUM之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，每個(gè)循環(huán)中柵電壓處于VestMSS 2和 Ve_sure的時(shí)間和第一步對(duì)應(yīng)相同；當(dāng)柵電壓為，漏電壓為VD__時(shí)繼續(xù)監(jiān)測(cè)漏電流 ID ;然后再把柵端的應(yīng)力電壓以K倍增加，重復(fù)測(cè)試，得到N次的測(cè)試結(jié)果，其中Vestass_N = Kfrl) ，漏電壓施加方法和第一步的施加方法相同；從第1次到第N次的過(guò)程連續(xù)進(jìn) 行，不存在間隔；閾值電壓的退化量由下面的公式得到：

【權(quán)利要求】
1. 一種預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，應(yīng)用于納米尺度的半導(dǎo)體器件，其特 征是，將待測(cè)半導(dǎo)體器件的源電壓vs與體電壓V B始終置為零，然后執(zhí)行如下測(cè)試步驟： 第一步，在半導(dǎo)體器件柵端施加電壓，漏端施加電壓VD_S_，測(cè)量應(yīng)力前半導(dǎo) 體器件的漏端電流ΙΜ ;然后在柵端施加初始應(yīng)力電壓l，漏端處于零偏置，應(yīng)力時(shí)間 為Δ t，在應(yīng)力施加過(guò)程中，柵電壓在Vestass」和之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)漏電壓在0和 %__之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)；每個(gè)循環(huán)中，柵電壓為V fctass」的時(shí)間h的最大值要小于10ms ;當(dāng)柵 電壓為Veme;asure^||電壓為VD_sure時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流I D ;上述每一次循環(huán)對(duì)應(yīng)一次ID的監(jiān)測(cè)，將 此定義為一個(gè)測(cè)試循環(huán)； 第二步，在柵端施加的應(yīng)力電壓以K倍增加，K>1，即Vestass 2 = K ，漏端仍處于 零偏置，應(yīng)力時(shí)間仍為Λ t，在應(yīng)力施加過(guò)程中，柵電壓在Vestass 2和Ve_sure之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)， 同時(shí)漏電壓在〇和vD_sme之間循環(huán)跳轉(zhuǎn)，每個(gè)循環(huán)中柵電壓處于vfctMSS_ 2和ve_sura的時(shí)間 和第一步對(duì)應(yīng)相同；當(dāng)柵電壓為ve_ sure，漏電壓為VD_SUM時(shí)繼續(xù)監(jiān)測(cè)漏電流ID ;然后再把柵 端的應(yīng)力電壓以K倍增加，重復(fù)測(cè)試，得到N次的測(cè)試結(jié)果，其中Vfctass N = Kfrl) 漏電壓施加方法和第一步的施加方法相同；從第1次到第N次的過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，不存在間 隔；閾值電壓的退化量AVth由下面的公式得到：
(1) 其中，ID是施加應(yīng)力后每次測(cè)量到的漏電流，vtM是應(yīng)力前半導(dǎo)體器件的閾值電壓； 第三步，由于NBTI應(yīng)力下閾值電壓的退化AVth滿足，
(2) 其中，A是前置系數(shù)，m是柵端應(yīng)力電壓的指數(shù)因子，Vfctass是在柵端施加的應(yīng)力電壓， η是應(yīng)力時(shí)間的指數(shù)因子，t是柵端所加的總的應(yīng)力時(shí)間； 將第一步中VestMSS i下，Λ Vth隨應(yīng)力時(shí)間t的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（2)進(jìn)行冪函數(shù)擬合，得 到對(duì)應(yīng)的η值和; 第四步，將第2次至第N次應(yīng)力下得到的Λ Vth等效地轉(zhuǎn)換到VestMSS」下的閾值電壓退 化，如公式（3)所示：
(3) 其中是每次應(yīng)力下，第i個(gè)測(cè)試循環(huán)對(duì)應(yīng)的柵電壓為應(yīng)力電壓的時(shí)間； 把第2次至第N次應(yīng)力下每個(gè)測(cè)試循環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力時(shí)間、轉(zhuǎn)換到Vfctass l下的等效應(yīng) 力時(shí)間，如公式（4)所示： ,-.,m
(4) 在轉(zhuǎn)換后，第j次應(yīng)力第i個(gè)測(cè)試循環(huán)對(duì)應(yīng)的總的應(yīng)力時(shí)間^為： 1 η = Δ/ + Σ Σ ^ ( Ρ ^ 1)+ Σ (^· ^!) (5) p=2 q=\ q=\ 其中，C為每一次應(yīng)力下測(cè)試循環(huán)的次數(shù)；這樣使得原本應(yīng)力逐漸增加的閾值電壓退 化轉(zhuǎn)化成恒定應(yīng)力下總的應(yīng)力時(shí)間為h的閾值電壓退化； 第五步，由轉(zhuǎn)換后的總的應(yīng)力時(shí)間tji，按照公式（2)計(jì)算出轉(zhuǎn)換后第j次應(yīng)力第i個(gè) 測(cè)試循環(huán)對(duì)應(yīng)的j : = ^GwessJji ( 6 ) 轉(zhuǎn)換前后總的AVth之間的誤差為： (7) 其中，C為每一次應(yīng)力下測(cè)試循環(huán)的次數(shù)，j為轉(zhuǎn)換前第j次應(yīng)力第i個(gè)測(cè) 試循環(huán)測(cè)到的ID按照公式（1)轉(zhuǎn)換的閾值電壓退化量；得到的誤差Error是m的函數(shù)；對(duì) m的取值范圍進(jìn)行遍歷，由最小的誤差Error得到最優(yōu)的m值；由第三步得到的計(jì) 算出A值； 第六步，按照第五步得出的m值和A值及第三步得出的η值，轉(zhuǎn)換到VfctMss l下總的等 效應(yīng)力時(shí)間為
(8) 同樣，該等效應(yīng)力時(shí)間根據(jù)公式（9)，可以轉(zhuǎn)換到任意工作電壓Ve下的等效應(yīng)力時(shí)間： VHJvt (9) 第七步，當(dāng)閾值電壓退化量Λ Vth轉(zhuǎn)化到某一工作電壓Ve后，定義該半導(dǎo)體器件在10 年壽命的失效幾率為10年的大于失效判斷標(biāo)準(zhǔn)的概率，以評(píng)價(jià)該Ve下器件退化的程 度；當(dāng)閾值電壓退化量△ Vth轉(zhuǎn)化到其他Ve后，同樣可以求得對(duì)應(yīng)的失效幾率；對(duì)Ve進(jìn)行遍 歷，得到失效幾率隨V e的變化關(guān)系；對(duì)應(yīng)大于等于0且小于1的特征失效幾率的工作電壓 \即滿足半導(dǎo)體器件10年壽命的工作電壓VDD ;根據(jù)目標(biāo)要求的特征失效幾率，確定10年 壽命對(duì)應(yīng)的工作電壓VDD具體值。
2. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，其特征是，第一步中， 每個(gè)循環(huán)的h可以相同，也可以不同；柵電壓處于V e_sure和處于VestMss l的時(shí)間的比值小 于 10%。
3. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，其特征是，第一步中， 在半導(dǎo)體器件柵端施加的電壓Ve_ sura取值為Vth(l± 10mV。
4. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，其特征是，第一步中， 在漏端施加的電壓VD_ SUM取值需滿足半導(dǎo)體器件處于線性區(qū)。
5. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，其特征是，第五步中， 所述的m的取值范圍為0?10。
6. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，其特征是，第七步中 所述的失效判斷標(biāo)準(zhǔn)為：AVth = 50mV。
7. 如權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件壽命的工作電壓的方法，其特征是，測(cè)試過(guò)程 中，溫度保持在125攝氏度。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK104122492SQ201410357332
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】黃如, 任鵬鵬, 王潤(rùn)聲, 郝鵬, 蔣曉波, 郭少峰 申請(qǐng)人:北京大學(xué)