本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件可靠性的表征和測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對高性能電子器件尤其是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfets)器件在極短時間內(nèi)(<10ns)的偏壓溫度不穩(wěn)定性的表征技術(shù)。

背景技術(shù)：

過去幾十年中，隨著cmos集成電路技術(shù)的發(fā)展，電路中的最核心單元-金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfets)的尺寸遵從摩爾定律逐步減小，從幾微米(μm)縮短至14nm，晶體管器件密度和性能不斷提高。衡量晶體管器件的可靠性的重要指標(biāo)之一為半導(dǎo)體器件的偏壓溫度不穩(wěn)定性(bti)。偏壓溫度不穩(wěn)定性包括負向偏壓溫度不穩(wěn)定性(nbti)和正向偏壓溫度不穩(wěn)定性(pbti)，指的是在一定溫度條件下，在晶體管柵極施加偏置電壓時，晶體管的電學(xué)特性發(fā)生閾值電壓飄移、飽和電流及跨導(dǎo)減小等退化的效應(yīng)。隨著柵極長度不斷縮小和氧化層厚度的不斷減薄，半導(dǎo)體器件的偏壓溫度不穩(wěn)定性的影響越發(fā)顯著，已成為器件退化的主要因素之一。因此，對器件偏壓溫度不穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評估和表征具有重要意義。

bti特性的重要特征在于其具有很強的恢復(fù)效應(yīng)，例如對于p型mosfet，在高溫下對其柵極施加負向偏置電壓一段時間后，如果將該負偏壓改為正偏壓或零偏壓，器件的退化特性將在很短的時間內(nèi)(<10ns)發(fā)生一定程度的恢復(fù)。因此，恢復(fù)效應(yīng)給對器件bti特性的準(zhǔn)確表征帶來難題。

bti特性的表征通常通過對器件閾值電壓的漂移的測試來實現(xiàn)?，F(xiàn)有的bti特性的測試方法中，采用傳統(tǒng)的直流電流電壓測試方法獲得mosfet晶體管漏極電流id與柵極電壓vg的輸出轉(zhuǎn)移特性曲線從而求出閾值電壓，通常需要大約幾秒鐘。而采用on-the-fly或其他現(xiàn)有的快速測試方法，可以將閾值電壓漂移的測試時間減小至100ns的范圍，但仍然較bti特性的恢復(fù)效應(yīng)要慢一個數(shù)量級以上，仍無法準(zhǔn)確表征極短時間內(nèi)器件bti特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的超快速偏壓溫度不穩(wěn)定性測試系統(tǒng)及方法，提高器件bti特性表征的準(zhǔn)確度。

本發(fā)明的目的在于通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的超快速偏壓溫度不穩(wěn)定性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括任意波形發(fā)生器、波形處理器、漏端偏壓模塊、輸入探針和輸出探針；其中，

所述任意波形發(fā)生器用于產(chǎn)生使被測器件發(fā)生bti效應(yīng)的電壓信號，以及對被測器件閾值電壓進行測量的電壓信號。

所述波形處理器用于采集被測器件在施加了所述任意波形發(fā)生器所產(chǎn)生的電壓信號后的響應(yīng)信號。

所述漏端偏壓模塊用于給被測器件的漏端提供器件工作時所需的漏端直流偏置電壓，并保證漏端輸出信號在高頻條件下的信號完整性。

所述輸入探針將所述任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號輸入到被測器件的柵端，所述輸出探針將被測器件的漏端的響應(yīng)信號采集并輸出到所述波形處理器。

進一步地，所述發(fā)生bti效應(yīng)的電壓信號包括使被測器件產(chǎn)生閾值電壓漂移的應(yīng)力電壓信號以及使被測器件閾值電壓漂移恢復(fù)的恢復(fù)電壓信號。

在一實施例中，所述被測器件為n型mosfet，所述應(yīng)力電壓信號大于所述n型mosfet的閾值電壓，所述恢復(fù)電壓信號小于所述n型mosfet的閾值電壓。

在又一實施例中，所述被測器件為p型mosfet，所述應(yīng)力電壓信號為負向電壓，并且其絕對值大于所述p型mosfet的閾值電壓的絕對值，所述恢復(fù)電壓信號大于所述p型mosfet的閾值電壓。

進一步地，所述對被測器件閾值電壓進行測量的電壓信號為使被測器件開啟的電壓信號，包括但不限于階梯脈沖信號、三角波、鋸齒波以及上述信號的組合。

進一步地，所述任意波形發(fā)生器可以產(chǎn)生時間可控的應(yīng)力電壓信號、恢復(fù)電壓信號和測量電壓信號，以及上述信號的任意排列與組合。

進一步地，所述波形處理器采集被測器件漏端在被測器件柵端施加所述閾值電壓測量的電壓信號的漏端電流信號，根據(jù)系統(tǒng)總延時確定柵端電壓信號和漏端電流信號的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)此關(guān)系計算對應(yīng)的閾值電壓。

進一步地，所述輸入探針為能夠自動散熱的“地-信號-地”射頻探針，在一側(cè)的“地-信號”終端之間接有50ω電阻。所述輸出探針為能夠自動散熱的“地-信號-地”射頻探針。

進一步地，所述任意波形發(fā)生器與所述輸入探針，所述波形處理器與所述輸出探針之間傳輸線纜為毫米波電纜，其極限帶寬需保證信號傳輸?shù)耐暾浴?/p>

本發(fā)明的有益效果是：第一，本發(fā)明可以精確控制產(chǎn)生bti效應(yīng)的電壓幅值與時間，可以表征極短時間(小于10ns)內(nèi)的bti效應(yīng)，測試靈敏度高。第二，本發(fā)明可以在極短時間(小于1ns)內(nèi)實現(xiàn)對閾值電壓漂移的表征，測試結(jié)果受bti效應(yīng)的恢復(fù)效應(yīng)影響小，更進一步地實現(xiàn)了準(zhǔn)確測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超快速偏壓溫度不穩(wěn)定性測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為按照本發(fā)明一實施例提供的超快速bti測試系統(tǒng)模塊示意圖。

圖3為基于圖2實施例所用的超快速bti測試系統(tǒng)波形處理器輸出的應(yīng)力和恢復(fù)下的柵極電壓波形示意圖。

圖4為本發(fā)明超快速bti測試系統(tǒng)的閾值電壓測試結(jié)果示意圖。

具體實施方式

下面介紹的是本發(fā)明的多個可能實施例中的一部分，旨在提供對本發(fā)明的基本了解，并不旨在確認本發(fā)明的關(guān)鍵或決定性的要素或限定所要保護的范圍。容易理解，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以提出可相互替換的其他實現(xiàn)方式。因此，以下具體實施方式以及附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者是為對本發(fā)明技術(shù)方案的限定或限制。

如圖1所示，一種應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的超快速偏壓溫度不穩(wěn)定性測試系統(tǒng)，包括任意波形發(fā)生器101、波形處理器102、輸入探針103、輸出探針104和漏端偏壓模塊106。任意波形發(fā)生器101產(chǎn)生電平和時間可精確控制的應(yīng)力電壓信號、恢復(fù)電壓信號和測量電壓信號，并通過輸入探針103在被測器件105的柵極上加載柵極電壓信號。漏端偏壓模塊106通過輸出探針104在被測器件105的漏極上加載漏端電壓信號；同時，輸出探針104采集被測器件105的漏極上的電流信號，無失真地傳輸?shù)讲ㄐ翁幚砥?02的輸入通道。波形處理器102通過確定柵極電壓信號和漏極電流信號的對應(yīng)關(guān)系，即可得到被測器件105的id-vg關(guān)系曲線，，通過id-vg關(guān)系曲線求得被測器件105的閾值電壓。

圖2為按照本發(fā)明實施例提供的超快速bti測試系統(tǒng)模塊示意圖。本實施例中，波形處理器102為高速示波器，任意波形發(fā)生器101產(chǎn)生的柵極電壓信號通過輸入探針103加載到被測晶體管105的柵端。任意波形發(fā)生器101和高速示波器的帶寬和采樣率設(shè)置滿足在小于1ns的快速上升或下降沿采集到足夠多的數(shù)據(jù)點的要求。輸入探針103為能夠自動散熱的“地-信號-地”射頻探針，在一側(cè)的“地-信號”終端之間接有50ω電阻。被測器件105的漏端電壓信號通過一個任意波形發(fā)生器101產(chǎn)生，并傳輸至漏端偏壓模塊106后，通過輸出探針104加載到被測器件105的漏端。漏端電壓信號需要保證被測器件105在測量過程中工作在線性區(qū)。輸出探針104為能夠自動散熱的“地-信號-地”射頻探針。漏端電流信號由輸出探針104采集，無失真地傳輸?shù)礁咚偈静ㄆ鞯妮斎胪ǖ馈８咚偈静ㄆ鞯妮斎胱杩篂?0ω。任意波形發(fā)生器101與輸入探針103，波形處理器102與輸出探針104之間傳輸線纜為毫米波電纜，其極限帶寬需保證信號傳輸?shù)耐暾?。為了減少系統(tǒng)噪聲，在整個系統(tǒng)中建立公共地。

圖3給出了基于圖2實施例所用的超快速bti測試系統(tǒng)波形處理器輸出的應(yīng)力和恢復(fù)下的柵極電壓波形示意圖。整個波形序列通過任意波形發(fā)生器101產(chǎn)生。

如圖3(a)所示，進行bti電壓應(yīng)力效應(yīng)測試時，首先施加足夠長時間的恢復(fù)電壓信號301，電平為vrec，以確定被測器件105的初始狀態(tài)。然后，施加精確控制時間的應(yīng)力電壓信號302，電平為vstr，使被測器件柵極接受電壓應(yīng)力。測量電壓信號303在施加應(yīng)力電壓信號302后立即施加在柵極，在本實施例中，測量電壓信號303采用對稱的三角波，幅值為0到晶體管工作電壓vdd，三角波的上升下降沿均小于1ns，以減小測量過程中的額外恢復(fù)效應(yīng)，并且通過多個重復(fù)的三角波以降低噪聲影響。波形處理器102通過采集柵極在施加測量電壓信號303時的漏端電流信號，通過確定柵極電壓信號和漏極電流信號的對應(yīng)關(guān)系，即可得到被測器件105的id-vg關(guān)系曲線，并通過id-vg關(guān)系曲線和閾值電壓的關(guān)系，求得被測器件105的閾值電壓。通過重復(fù)此過程，即可得到在施加不同應(yīng)力時間和應(yīng)力電壓的條件下的閾值電壓變化，從而表征被測器件105的bti效應(yīng)。

如圖3(b)所示，進行bti電壓恢復(fù)效應(yīng)測試時，首先施加足夠長時間的應(yīng)力電壓信號302，電平為vstr，以確定被測器件105的初始狀態(tài)。然后，施加精確控制時間的恢復(fù)電壓信號301，電平為vrec，使被測器件柵極處于恢復(fù)狀態(tài)。測量電壓信號303在施加恢復(fù)電壓信號301后立即施加在柵極，以通過高速示波器求得此條件下被測器件105的閾值電壓。通過重復(fù)此過程，即可得到在施加不同恢復(fù)時間和恢復(fù)電壓的條件下的閾值電壓變化，從而表征被測器件105的bti效應(yīng)。

圖4為本發(fā)明超快速bti測試系統(tǒng)的閾值電壓測試結(jié)果示意圖。對比商用的快速測試系統(tǒng)和本發(fā)明提供的快速測試系統(tǒng)，在未施加任何電壓應(yīng)力的條件下，測量電壓信號303的上升下降沿從商用快速系統(tǒng)的1μs提高到500ps時，可以獲得類似的線性區(qū)id-vg關(guān)系曲線，從而利用外推法獲得類似的閾值電壓。說明本發(fā)明的超快速bti測試系統(tǒng)可以在極短時間內(nèi)獲得準(zhǔn)確有效的閾值電壓。