一種在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)和特大規(guī)模集成電路(ULSI)的飛速發(fā)展，MOS器件的尺寸不斷地減小。為增加器件的反應(yīng)速度、提高驅(qū)動(dòng)電流與存儲(chǔ)電容的容量，器件中柵氧化層的厚度不斷地降低，由20?30nm降至幾個(gè)納米。然而，在器件尺寸等比例縮小的同時(shí)，工作電壓卻沒(méi)有相應(yīng)地等比縮小，從而使薄柵氧化層中的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，器件的擊穿電壓降低；另一方面，柵氧化層中存在缺陷、表面不均勻等，會(huì)出現(xiàn)局部電場(chǎng)集中，容易產(chǎn)生內(nèi)部放電而形成許多導(dǎo)電通道，同樣降低擊穿電壓。而漏電流的產(chǎn)生往往與柵氧化層中的帶電雜質(zhì)有關(guān)。在柵氧化層中存在正電荷的情況下，當(dāng)柵氧化層厚度不均勻時(shí)，在較薄區(qū)域內(nèi)的局部電場(chǎng)很強(qiáng)，使得勢(shì)皇尖端的厚度變薄，在負(fù)柵電壓時(shí)即會(huì)產(chǎn)生隧道電流(電子從多晶硅或者金屬柵極流向半導(dǎo)體)，從而形成漏電流。柵氧化層的可靠性成為一個(gè)突出的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，柵氧化層抗電性能不好將引起MOS器件電參數(shù)的不穩(wěn)定，如閾值電壓的漂移，跨導(dǎo)下降、漏電流增加等，進(jìn)一步可引起柵氧化層的擊穿，導(dǎo)致器件的失效，使整個(gè)集成電路陷入癱瘓狀態(tài)。因此，柵氧化層的完整性對(duì)于集成電路性能的提高有著至關(guān)重要的作用。隨著集成電路工藝的進(jìn)步及尺寸的縮小，對(duì)于柵氧化層完整性(gate oxide integrity,簡(jiǎn)稱(chēng)G0I)的測(cè)試也逐漸成為一個(gè)重要的難題。柵氧化層完整性測(cè)試是驗(yàn)證柵氧化層質(zhì)量的測(cè)試過(guò)程，目前通常使用斜坡電壓(Vramp)測(cè)試來(lái)對(duì)于半導(dǎo)體器件的柵氧化層完整性進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)斜坡電壓測(cè)試可以反映被測(cè)半導(dǎo)體器件在斜坡電壓應(yīng)力下的擊穿特性等，從而對(duì)檢測(cè)半導(dǎo)體器件的柵氧化層完整性起到參考作用，具體地，應(yīng)用一個(gè)加在柵極的階梯升高的電壓直至柵氧化層擊穿，通過(guò)判斷柵氧化層擊穿電壓的大小來(lái)衡量缺陷類(lèi)型，一般情況下分兩種失效模式:mode A和mode B，如圖1所示。結(jié)合測(cè)試面積推算缺陷密度是否達(dá)標(biāo)，這樣的測(cè)試方法對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)(testkey)設(shè)計(jì)有一定要求，比如業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)JESD35以及JEP001A建議每次評(píng)估的樣品總面積需要達(dá)到1cm2，也可以按照公式(I)計(jì)算選擇的樣品數(shù):
[0003]N*ATEST〉_ln (1_0.95) /D0----(I)
[0004]其中，N是總樣品數(shù);ATEST是每個(gè)GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)的面積；D C1是缺陷密度規(guī)格。
[0005]所以為了減少測(cè)試樣品數(shù)，測(cè)試結(jié)構(gòu)(testkey)設(shè)計(jì)就要求面積很大，導(dǎo)致量產(chǎn)品上無(wú)法放置測(cè)試結(jié)構(gòu)，使在線(xiàn)監(jiān)控量產(chǎn)品無(wú)法實(shí)施?，F(xiàn)在普遍的做法是將測(cè)試結(jié)構(gòu)放置在測(cè)試認(rèn)證載體(TQV，technology qualificat1n vehicle)晶片上單獨(dú)生產(chǎn)，出廠后進(jìn)行監(jiān)控，一方面浪費(fèi)成本，另一方面Vramp測(cè)試所需時(shí)間也較長(zhǎng)，如果發(fā)現(xiàn)異常結(jié)果再追溯到工藝問(wèn)題，整個(gè)周期就很長(zhǎng)，失去了監(jiān)控的時(shí)效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，可以對(duì)量產(chǎn)品上柵氧化層完整性進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，縮短測(cè)試時(shí)間，并能夠評(píng)估判斷缺陷密度是否達(dá)標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝可靠性問(wèn)題。
[0007]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，包括:
[0008]根據(jù)設(shè)定的采樣頻率以及缺陷密度規(guī)格，獲得用于監(jiān)控分析的最小采樣數(shù)量；
[0009]選取大于或等于所述最小采樣數(shù)量的量產(chǎn)品作為用于監(jiān)控分析的量產(chǎn)品樣本，所述量產(chǎn)品本的切割道上設(shè)置有GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)；
[0010]按照所述采樣頻率從每個(gè)量產(chǎn)品樣本上選取GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)施加預(yù)定失效模式的電壓，分別量測(cè)出每個(gè)GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)在預(yù)定失效模式的電壓下的柵電流值；
[0011 ] 將量測(cè)出的所有柵電流值與電流標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，評(píng)估所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝是否存在柵氧化層完整性問(wèn)題。
[0012]進(jìn)一步的，依據(jù)公式獲得監(jiān)控分析的最小采樣數(shù)量，其中，N是采樣數(shù)量，Atest是每個(gè)GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)的面積；D C1是缺陷密度規(guī)格，K為采樣頻率。
[0013]進(jìn)一步的，預(yù)定失效模式的缺陷密度規(guī)格不同，根據(jù)設(shè)定的采樣頻率以及預(yù)定失效模式的缺陷密度規(guī)格，獲得用于監(jiān)控分析的預(yù)定失效模式的最小采樣數(shù)量。
[0014]進(jìn)一步的，所述采樣頻率為WAT測(cè)試的采樣頻率。
[0015]進(jìn)一步的，所述預(yù)定失效模式為一種或多種。
[0016]進(jìn)一步的，對(duì)每個(gè)GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)施加預(yù)定失效模式的電壓后，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間穩(wěn)定后，再量測(cè)出每個(gè)GOI測(cè)試結(jié)構(gòu)在所述電壓下的柵電流值。
[0017]進(jìn)一步的，評(píng)估所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝是否存在柵氧化層完整性問(wèn)題，包括:
[0018]將量測(cè)出的所有柵電流值與電流標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，確定量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量；
[0019]若量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量小于或等于目標(biāo)失效數(shù)量，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝不存在柵氧化層完整性問(wèn)題，繼續(xù)按照所述當(dāng)前工藝的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行量產(chǎn)品生產(chǎn)；
[0020]若量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量大于目標(biāo)失效數(shù)量，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝存在柵氧化層完整性問(wèn)題，調(diào)整并改善所述當(dāng)前工藝的參數(shù)設(shè)置后繼續(xù)進(jìn)行量產(chǎn)品生產(chǎn)。
[0021]進(jìn)一步的，評(píng)估所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝是否存在柵氧化層完整性問(wèn)題，包括:
[0022]將量測(cè)出的所有柵電流值與電流標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，確定量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量；
[0023]根據(jù)量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量，獲得量產(chǎn)品樣本的缺陷密度；
[0024]將量產(chǎn)品樣本的缺陷密度與所述缺陷密度規(guī)格進(jìn)行比較；
[0025]若量產(chǎn)品樣本的缺陷密度小于或等于所述缺陷密度規(guī)格，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝不存在柵氧化層完整性問(wèn)題，繼續(xù)按照所述當(dāng)前工藝的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行量產(chǎn)品生產(chǎn)；
[0026]若量產(chǎn)品樣本的缺陷密度大于所述缺陷密度規(guī)格，，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝存在柵氧化層完整性問(wèn)題，調(diào)整并改善所述當(dāng)前工藝的參數(shù)設(shè)置后繼續(xù)進(jìn)行量產(chǎn)品生產(chǎn)。
[0027]進(jìn)一步的，評(píng)估所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝是否存在柵氧化層完整性問(wèn)題，包括:
[0028]將量測(cè)出的所有柵電流值與電流標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，確定量產(chǎn)品樣本中的失效樣本的失效模式以及各失效模式下的失效數(shù)量；
[0029]根據(jù)各失效模式下的失效數(shù)量，分別獲得量產(chǎn)品樣本在各失效模式下的實(shí)際缺陷密度；
[0030]對(duì)將各失效模式下的實(shí)際缺陷密度與所述失效模式下的缺陷密度規(guī)格進(jìn)行比較；
[0031]若所述實(shí)際缺陷密度小于或等于所述缺陷密度規(guī)格，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝不存在柵氧化層完整性問(wèn)題，繼續(xù)按照所述當(dāng)前工藝的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行量產(chǎn)品生產(chǎn)；
[0032]若所述實(shí)際缺陷密度大于所述缺陷密度規(guī)格，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝存在柵氧化層完整性問(wèn)題，調(diào)整并改善所述當(dāng)前工藝的參數(shù)設(shè)置后繼續(xù)進(jìn)行量產(chǎn)品生產(chǎn)。
[0033]進(jìn)一步的，根據(jù)一定的監(jiān)控分析頻率來(lái)執(zhí)行所述在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，并在確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當(dāng)前工藝存在柵氧化層完整性問(wèn)題后，增加監(jiān)控分析頻率來(lái)執(zhí)行所述在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，首先，不同于現(xiàn)有技術(shù)中的放置在單獨(dú)生產(chǎn)的測(cè)試認(rèn)證載體晶片上的大面積測(cè)試結(jié)構(gòu)的方式，既不需犧牲量產(chǎn)品上的器件區(qū)面積，也不需要額外投片用于工藝產(chǎn)品監(jiān)控，可以直接利用量產(chǎn)品切割道面積形成合適的測(cè)試結(jié)構(gòu)來(lái)完成測(cè)試，大大節(jié)省了成本；其次，由于測(cè)試中每顆樣品僅測(cè)試預(yù)定失效模式下的單點(diǎn)電流值，測(cè)試速度很快，對(duì)量產(chǎn)品的排隊(duì)等候時(shí)間不會(huì)造成影響，大大縮短測(cè)試所需時(shí)間；針對(duì)一段時(shí)間內(nèi)量產(chǎn)品上的數(shù)據(jù)收集，可以準(zhǔn)確判斷某一區(qū)間內(nèi)柵氧缺陷的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控的時(shí)效性。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是傳統(tǒng)的Vramp測(cè)試中的柵氧化層擊穿電壓威爾布welbull分布圖；
[0036]圖2是傳統(tǒng)的Vramp測(cè)試中柵氧化層擊穿特性的I_V特性曲線(xiàn)；
[0037]圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例的在線(xiàn)監(jiān)控柵氧化層完整性的方法流程圖；
[0038]圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例量測(cè)到的預(yù)定失效模式電壓下柵電流分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]本發(fā)明的柵氧化層完整性測(cè)試原理如下:
[0040]常規(guī)的Vramp測(cè)試，階梯電壓是線(xiàn)性增加直至樣品擊穿，如圖2所示，每顆樣品擊穿特性的1-V曲線(xiàn)中表示出了不同電壓下對(duì)應(yīng)的柵電流，如果在量產(chǎn)品上增加這樣的測(cè)試，量產(chǎn)品上每個(gè)測(cè)試點(diǎn)(lot)測(cè)試時(shí)間大致增加4個(gè)小時(shí)，考慮到產(chǎn)能和排隊(duì)等候時(shí)間Q-time問(wèn)題，這種常規(guī)的Vram