本發(fā)明屬于半導(dǎo)體mosfet器件可靠性的表征和測(cè)試，具體涉及一種對(duì)高性能電子器件尤其是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfets)器件在交流應(yīng)力下經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)的表征技術(shù)。

背景技術(shù)：

1、過(guò)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfets)的尺寸遵從摩爾定律逐步減小，從微米(μm)縮短至nm級(jí)，晶體管器件密度和性能不斷提高。衡量晶體管可靠性的重要指標(biāo)之一為柵極介質(zhì)的經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)(tddb)。tddb指的是在晶體管柵極施加長(zhǎng)時(shí)間偏置電壓導(dǎo)致柵極介質(zhì)發(fā)生擊穿的過(guò)程，擊穿前晶體管的電學(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，擊穿后柵極失去控制溝道能力即器件失效。為實(shí)現(xiàn)更高的集成密度和更低的功率耗散，需不斷減小器件尺寸和降低器件工作電壓，這迫使保持柵極可控性和驅(qū)動(dòng)性的柵氧化層不斷減薄。然而，超薄的氧化物不僅會(huì)導(dǎo)致柵極漏電流的增加，也使器件更容易受到tddb的影響。因此，對(duì)mosfet器件經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)的準(zhǔn)確評(píng)估和表征具有重要意義。

2、經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)的傳統(tǒng)特征在于厚度依賴性、溫度依賴性、電壓依賴性，而隨著實(shí)際電路中工作頻率的提高，經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)的頻率依賴性也逐步被研究探索。例如在二氧化硅和高k材料mosfet器件中，tddb具有明顯的頻率依賴性，器件壽命在超高頻下應(yīng)力表征下呈現(xiàn)明顯的增益。研究mosfet器件的交流tddb特性能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)估器件壽命，因此交流tddb表征技術(shù)亟待提出和完善。

3、電介質(zhì)經(jīng)時(shí)擊穿(tddb)的表征方法是在柵極上施加恒定電壓，以柵氧漏電流的突然增大對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)作為判定器件擊穿的失效時(shí)間。傳統(tǒng)tddb表征在柵極施加直流電壓，以此得到的擊穿時(shí)間外推標(biāo)稱電壓下的擊穿時(shí)間將嚴(yán)重低估器件的壽命。目前一些on-the-fly或快速ac?tddb測(cè)量技術(shù)可進(jìn)行mhz級(jí)的表征，實(shí)驗(yàn)證明tddb頻率依賴性的壽命增益，但似乎仍沒(méi)有達(dá)到頻率增益裕度。其中的實(shí)驗(yàn)表征需要頻率高、幅度大的交流信號(hào)，這受制于半導(dǎo)體表征分析的硬件設(shè)備，目前暫無(wú)可直接商用儀器。另外，tddb擊穿現(xiàn)象發(fā)生在瞬間發(fā)生，常規(guī)的“測(cè)試-應(yīng)力-測(cè)試”流程僅在測(cè)試階段測(cè)量泄漏電流，應(yīng)力過(guò)程中不測(cè)量，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確記錄擊穿時(shí)間，這也是目前交流tddb表征存在的難點(diǎn)和問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于mosfet器件的交流經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)及方法，直接測(cè)量準(zhǔn)確提取應(yīng)力電流軌跡的實(shí)時(shí)變化，從實(shí)時(shí)變化中精準(zhǔn)捕捉擊穿時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高頻范圍內(nèi)的mosfet器件交流tddb壽命表征。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的第一方面，提供一種應(yīng)用于mosfet器件的交流經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)表征系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括任意波形發(fā)生器、寬頻帶放大器、寬頻帶合路器、寬頻帶偏置器、高速輸入探針、高速輸出探針、源測(cè)量單元和系統(tǒng)控制單元；

4、所述任意波形發(fā)生器具有多通道同步復(fù)制輸出功能，第一通道產(chǎn)生電平和時(shí)間可精確控制的交流電壓信號(hào)，其余通道產(chǎn)生與第一通道形狀和相位完全相同且時(shí)鐘同步的交流電壓信號(hào)；每個(gè)通道產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)分別輸入不同寬頻帶放大器獲得幅度增益，經(jīng)放大后的每路交流電壓信號(hào)形狀和相位相同且時(shí)鐘完全同步，分別連接至寬頻帶合路器的各輸入端；

5、所述寬頻帶合路器將多路輸入信號(hào)合為一路，輸出至寬頻帶偏置器；

6、所述寬頻帶偏置器在輸入的交流電壓信號(hào)上疊加直流電壓，滿足被測(cè)mosfet器件所需應(yīng)力電壓的幅值要求，形成交流tddb柵壓應(yīng)力信號(hào)；

7、所述高速輸入探針將交流tddb柵壓應(yīng)力信號(hào)輸入至被測(cè)moseft器件的柵極；所述被測(cè)mosfet器件的漏極、源極、襯底共接在同一端后，由所述高速輸出探針采集響應(yīng)電流信號(hào)并輸入到所述源測(cè)量單元；

8、所述源測(cè)量單元用于監(jiān)測(cè)響應(yīng)電流信號(hào)并實(shí)時(shí)反饋至系統(tǒng)控制單元；

9、所述系統(tǒng)控制單元接收的響應(yīng)電流信號(hào)是被測(cè)moseft器件的漏極、源極、襯底電流的總和，響應(yīng)電流信號(hào)的幅度與柵極泄漏電流信號(hào)相同但相位相反，通過(guò)表征響應(yīng)電流信號(hào)的幅度得到柵極泄漏電流在交流tddb柵壓應(yīng)力信號(hào)下隨時(shí)間的變化軌跡，判斷是否發(fā)生經(jīng)時(shí)擊穿并記錄發(fā)生時(shí)間。

10、進(jìn)一步地，所述寬頻帶放大器用于增益任意波形發(fā)生器單通道產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)的峰峰值，并保持高頻信號(hào)邊沿不過(guò)度失真；

11、所述寬頻帶合路器具有多個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，當(dāng)每路輸入信號(hào)相位相同且時(shí)鐘同步時(shí)，輸出信號(hào)是每路輸入信號(hào)的疊加，用于進(jìn)一步增大交流電壓信號(hào)的幅度，并改善高低電平信號(hào)波形的噪聲與上升沿信號(hào)過(guò)沖。

12、進(jìn)一步地，所述任意波形發(fā)生器用于產(chǎn)生不同頻率、占空比、極性且時(shí)間與幅值均可控的應(yīng)力電壓信號(hào)。

13、進(jìn)一步地，所述高速輸入探針為能夠自動(dòng)散熱的“地-信號(hào)-地”射頻探針，在兩側(cè)的“地-信號(hào)”終端之間接有100ω電阻；所述高速輸出探針為能夠自動(dòng)散熱的“地-信號(hào)-地”射頻探針。

14、進(jìn)一步地，所述被測(cè)mosfet器件包括晶體管、晶體管中的金屬-氧化物-半導(dǎo)體mos電容部件以及晶體管中含有電介質(zhì)的其他電容部件。

15、進(jìn)一步地，所述被測(cè)mosfet器件的漏極、源極、襯底通過(guò)版圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或測(cè)試線纜共接在同一端。

16、進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)中的所有連接傳輸線纜為毫米波電纜，其極限帶寬需保證信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

17、進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)控制單元為可通過(guò)指令對(duì)所述任意波形發(fā)生器和源測(cè)量單元進(jìn)行精確控制，且具有數(shù)據(jù)計(jì)算和處理能力的計(jì)算機(jī)。

18、根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的第二方面，提供一種利用第一方面所述系統(tǒng)的交流經(jīng)時(shí)擊穿效應(yīng)表征方法，該方法包括以下步驟：

19、步驟一、對(duì)mosfet器件進(jìn)行擊穿前測(cè)試，排除會(huì)瞬間擊穿的器件；

20、步驟二、配置交流tddb柵壓應(yīng)力信號(hào)vgstress；

21、步驟三、實(shí)施測(cè)量階段，施加交流tddb柵壓應(yīng)力信號(hào)vgstres于被測(cè)mosfet器件的柵極，同時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)mosfet器件在零點(diǎn)時(shí)刻的響應(yīng)電流信號(hào)iavg,0作為初始狀態(tài)量；

22、步驟四、繼續(xù)施加交流tddb柵壓應(yīng)力信號(hào)vgstres于被測(cè)mosfet器件的柵極，每經(jīng)過(guò)預(yù)定的間隔時(shí)間監(jiān)測(cè)響應(yīng)電流信號(hào)isum并計(jì)算平均電流值iavg；

23、步驟五、根據(jù)初始狀態(tài)量iavg,0判斷平均電流值iavg是否達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，若達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)則結(jié)束測(cè)試，并記錄擊穿時(shí)間；否則重復(fù)步驟四、步驟五，直至達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。

24、進(jìn)一步地，所述平均電流值iavg與vgstress處于高電平時(shí)的響應(yīng)電流信號(hào)ihigh、vgstress處于低電平時(shí)的響應(yīng)電流信號(hào)ilow和vgstress的占空比df相關(guān)，具體計(jì)算關(guān)系為iavg＝df*ihigh+(1-df)*ilow。

25、本發(fā)明的有益效果在于：第一，本發(fā)明可以精確控制產(chǎn)生交流tddb效應(yīng)的任意波形，創(chuàng)新地將寬頻帶放大器、寬頻帶合路器與寬頻帶偏置器組合，實(shí)現(xiàn)高頻大幅度的ghz信號(hào)可以表征超高頻(接近ghz)的tddb交流特性。第二，本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平均電流方法，直接測(cè)量準(zhǔn)確提取應(yīng)力電流軌跡的實(shí)時(shí)變化，從中精準(zhǔn)捕捉擊穿時(shí)間，測(cè)試靈敏度高。第三，本發(fā)明可以借助通訊設(shè)備完成協(xié)同統(tǒng)一控制，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。