一种半导体器件热载流子寿命的测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种半导体器件热载流子寿命的测量方法，所述方法包括：1）测量所述器件栅极上的电阻，所述测量方法为：1-1）分别电连接所述器件栅极的两端，测量所述栅极的电阻，或者，1-2）在所述半导体器件上栅极两侧设置两个虚拟栅极，所述两个虚拟栅极的一端相连接，电连接所述两个虚拟栅极的另一端来测试所述两个虚拟栅极的电阻；2）根据步骤1）中所述测得的电阻，结合栅极电阻和温度之间的线性关系，得到所述栅极的温度，通过测量所述栅极的温度来监控所述器件的实际温度。本发明中通过在待测器件栅极两端或者通过在栅极两侧设置虚拟栅极来测量栅极上的热阻，得到待测器件的实际温度，在实际温度下预测所述热载流子的寿命，结果更加准确。
【专利说明】一种半导体器件热载流子寿命的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，具体地，本发明涉及一种半导体器件热载流子寿命的测量方法。
【背景技术】
[0002]对超大规模集成电路制造产业而言，随着MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)装置尺寸的不断减小，半导体制作工艺已经进入深亚微米时代，且向超深亚微米发展，此时，半导体器件可靠性越来越直接影响着制作的IC芯片的性能和使用寿命。但是，由于MOS器件尺寸等比例缩小时，器件工作电压并没有相应等比例减少，所以，相应的器件内部的电场强度随器件尺寸的减小反而增强。因此，在小尺寸器件中，电路的横向尺寸越来越小，导致沟道长度减小，即使是较小的源漏电压也会在漏端附近形成很高的电场强度，由于该横向电场作用，在漏端的强场区，沟道电子获很大的漂移速度和能量，成为热载流子。在深亚微米工艺中，随着MOS器件尺寸的日益缩小，MOS器件的热载流子注入(HCI)效应越来越严重，其引起的器件性能的退化是影响MOS器件可靠性的重要因素之一。因此，HCI测试已成为MOS器件可靠性测试的主要测试项目之一。
[0003]由于MOS器件热载流子的注入是按照JEDEC标准，因此MOS器件HCI测试也按照JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)标准进行。JEDEC标准中提供的热载流子测试的寿命模型有3种，即漏源电压加速Vds模型、衬底电流Isub模型和衬底与漏电流比例Isub/Id模型，实际应用时可以根据需要选择一种即可，一般公认的选用衬底与漏电流比例Isub/Id模型。但不管对于衬底与漏电流比例Isub/Id模型还是衬底电流Isub模型，通用的HCI测试MOS器件的做法均需要加载至少3个不同的应力电压条件，并需要取得在每一应力电压条件下的衬底电流Isub值和漏极电流Id值，以及推算寿命所需工作条件下的衬底电流Isub值和漏极电流Id值,如图la-b所示。
[0004]目前，在HCI的注入造成器件的自加热现象(self-heating，SH)，引起驱动电流的下降，成为MOS和绝缘体上娃器件(si I icon-on-1nsuIator, SOI)的一个重要问题,此外,在HCI注入时其中通道的温度会上升，即在高电压进行HCI注入时其中通道温度比预先设定的温度高很多，而由于HCI的检测跟温度密切相关，受温度影响较大，在计算热载流子寿命时由于自加热引起的温度效应应当加以考虑，不然对载流子寿命的确定将会带来误差。
[0005]由于自加热带来的温度上升一般会在360秒后降到室温，因此，现有技术中为了消除自加热带来的影响，通常采用在HCI的注入和测量之间引入延迟时间来消除温度的影响，没有经过时间延迟的通道温度比室温高很多，加入延迟时间后再进行测量会更加准确，但是该方法仍然存在很多不足，例如有些器件中虽然加入延迟时间，但是有些器件并不能在所述时间内自动回复降温到室温或存在反复效应。
[0006]因此，如何消除HCI注入时自加热引起的温度上升对HCI寿命的检测带来的影响，得到更加准确的结果，成为目前需要解决的问题。
【发明内容】
[0007]在
【发明内容】
部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在【具体实施方式】部分中进一步详细说明。本发明的
【发明内容】
部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
[0008]本发明提供了一种更加准确的半导体器件热载流子寿命的测量方法，所述方法消除了在热载流子注入时自加热带来的影响，所述方法包括以下步骤:
[0009]I)测量所述器件栅极上的电阻，所述测量方法为:
[0010]1-1)分别电连接所述器件栅极的两端，测量所述栅极的电阻，
[0011]或者，
[0012]1-2)在所述半导体器件上栅极两侧设置两个虚拟栅极，所述两个虚拟栅极的一端相连接，电连接所述两个虚拟栅极的另一端来测试所述两个虚拟栅极的电阻；
[0013]2)根据步骤I)中所述测得的电阻，结合栅极电阻和温度之间的线性关系，得到所述栅极的温度，通过测量所述栅极的温度来监控所述器件的实际温度。
[0014]作为优选，所述方法还包括步骤3):
[0015]计算在步骤2)中所述实际温度下热载流子的寿命，建立所述器件的实际温度和热载流子寿命之间的 对应的关系。
[0016]作为优选，所述方法还包括步骤4):
[0017]在应力电压下注入热载流子，测量所述半导体器件栅极的电阻，测量所述热载流子寿命。
[0018]作为优选，所述步骤3)包括以下步骤:
[0019]在一定应力漏极电压和栅极电压下，改变器件的实际温度，利用衬底/漏极电流比率模型得到不同实际温度下热载流子寿命，建立所述器件的实际温度和热载流子寿命的一一对应的关系。
[0020]作为优选，所述步骤3)和步骤4)之间包含以下步骤:根据步骤2)中栅极电阻和器件的实际温度的线性关系，以及所述步骤3)中所述器件的实际温度和热载流子寿命之间的 对应的关系，建立所述栅极电阻和热载流子寿命之间的 对应的关系。
[0021]作为优选，通过导线连接所述栅极或虚拟栅极上的接触孔来测量所述栅极电阻。
[0022]作为优选，所述半导体器件栅极两端与测量仪的连接件不接触时，所述半导体器件为常规尺寸。
[0023]作为优选，所述两个虚拟栅极之间不通过器件中的接触孔和金属层相连通时，所述半导体器件为常规尺寸。
[0024]作为优选，所述热载流子漏极电流和自加热测量均在同一器件上进行。
[0025]在本发明中通过在待测器件栅极两端或者通过在栅极两侧设置虚拟栅极来测量栅极上的热阻，并通过测得的热阻得到待测器件的实际温度，在实际温度下预测所述热载流子的寿命，所述方法同时考虑了应力条件以及栅极热阻等影响因素，不仅消除了热载流子注入时引起的自加热问题，而且热载流子寿命的预测更加准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，
[0027]图la-b为现有技术中热载流子寿命计算方法示意图；
[0028]图2a_b为本发明中在半导体器件栅极的电阻测量方法。
【具体实施方式】
[0029]在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
[0030]应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
[0031]现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
[0032]本发明提供了一种更加准确的测量热载流子寿命的方法，所述方法消除了在热载流子注入时自加热带来的影响，所述方法包括以下步骤:
[0033]I)测量所述器件栅极上的电阻，所述测量方法为:
[0034]1-1)分别电连接所述器件栅极的两端，测量所述栅极的电阻，
[0035]或者，
[0036]1-2)在所述半导体器件上栅极两侧设置两个虚拟栅极，所述两个虚拟栅极的一端相连接，电连接所述两个虚拟栅极的另一端来测试所述两个虚拟栅极的电阻；
[0037]2)根据步骤I)中所述测得的电阻，结合栅极电阻和温度之间的线性关系，得到所述栅极的温度，通过测量所述栅极的温度来监控所述器件的实际温度。
[0038]作为优选，本发明还可以进一步包括步骤3)和步骤4):
[0039]3)建立所述器件的实际温度和热载流子寿命之间的一一对应的关系；
[0040]4)在应力电压下注入热载流子，测定所述半导体器件栅极的电阻，预测所述热载流子寿命。
[0041]具体地，首先测定所述器件栅极上的电阻，所述测量方法可以有多种，只要能够测量所述栅极的电阻即可，作为优选本发明提供了两种测试方法:
[0042]第一种，如图2a所示，电连接所述器件栅极的两端进行测试，所述测试方法可以具有多种，在本发明中选用常规的Kelvin结构用于测试所述栅极的电阻，连接所述栅极两端的电流接线207，对所述栅极两端施加电流，连接栅极两端的电压接线206，对所述栅极的两端施加电压，然后通过计算即可得到所述栅极电阻，所述电流接线以及电压接线分别通过接触孔204、205与所述栅极形成电连接。本发明所述器件尺寸并没有严格限制，可以为常规尺寸，但是要确保所述栅极的两端以及栅极两端的连接件之间不能相互接触，如果不能确保所述要求则可能要增加器件尺寸。作为优选，所述器件上栅极两侧还可以设有虚拟栅极202，所述虚拟栅极不能与所述栅极以及器件上的接触孔相接触。
[0043]本发明还提供了一种测量栅极电阻的方法，如图2b所示，在所述栅极201两侧分别设有一个虚拟栅极202，所述两个虚拟栅极的一端通过连接件208电连接，所述连接件208可以为导线，所述连接方式可以选用本领域常用方法，在本发明中选用常规的Kelvin结构用于测试所述栅极的电阻，具体地，连接所述两虚拟栅极另一端电流接线207，对所述虚拟栅极两端施加电流，连接虚拟栅极另一端的电压接线206，对所述虚拟栅极的两端施加电压，然后通过计算即可得到电阻，该计算得到的电阻即为栅极201的电阻，所述电流接线以及电压接线分别通过接触孔209、205与所述栅极形成电连接。。同样，所述器件可以为常规尺寸，只要能够确保所述两个虚拟栅极和器件上的接触孔以及金属层之间不相互接触即可，并没有严格限制。作为优选，所述栅极下的半导体上还具有源漏接触孔203。
[0044]当热载流子在较高应力电压下注入时可以通过上述方法测得所述栅极的电阻。
[0045]所述步骤2)为根据步骤I)中所述测得的电阻，结合电阻和温度之间的线性关系，得到所述栅极温度，所述栅极温度与热载流子注入时器件温度一致，通过测量栅极温度来监控所述器件的温度。
[0046]在本发明中通过监控所述栅极上的电阻从而实时监测所述器件的温度，特别是HCI注入引起自加热后温度上升后，能准确的测得器件的温度，在检测到器件的准确温度后，在测量热载流寿命时可以有两种方法:
[0047]一种是随时检测所述器件的温度，当所述温度降低室温后在进行检测，另外一种是当所述器件温度下降很慢或者会产生反复效应时，可以继续执行步骤3)和步骤4):
[0048]所述步骤3)建立所述器件的实际温度和热载流子寿命之间的一一对应关系；
[0049]具体地，在一定应力漏极电压和栅极电压下，改变环境以及器件的实际温度，利用衬底/漏极电流比率模型得到不同实际温度下热载流子寿命，建立所述器件的实际温度和热载流子寿命的 对应关系。在本发明的一种【具体实施方式】中，首先确定应力条件中的漏压Vd、栅压Vg，然后建立衬底/漏极电流比率模型，所述衬底/漏极电流比率模型的建立方法为:以NMOS为例，一般测试3个不同Vd情况下的HCI比如在Vdl的情况下，扫描Vg，同时测量Isub,从而得到Isubmax所对的Vg，然后在该Vg和Vd下,测试该器件的Id变化情况，当Id到下降10%后所需的时间先称之为Tl ;同理获得在另外两个不同Vd的获得T2，T3，然后拟合类似图1b所示曲线出来。然后利用所述模型检测不同温度下热载流子的寿命，例如步骤2)中测试环境温度为T1°C、实际温度为T10°C时的寿命为NI，然后测量多组环境温度、器件实际温度以及利用所述模型得到在该温度下热载流子的寿命，将得到的数据整理，绘制器件实际温度和热载流子寿命之间的关系曲线，热载流子寿命与温度的关系为TTF=AX exp ((Ea/(kT))，其中A为常数，k为玻尔兹曼常数，Ea为激活能。Ea为正时，所述实际温度越高，热载流子寿命越短；Ea为负时，所述实际温度越高，热载流子寿命越长。
[0050]所述步骤4)在应力电压下注入热载流子，测定所述半导体器件栅极的电阻，预测所述热载流子寿命。
[0051 ] 具体地，在应力电压下注入热载流子，测定所述半导体器件栅极的电阻，然后根据所述电阻-实际温度曲线，得到对应的实际温度，然后将得到实际温度在所述实际温度-热载流寿命曲线上得到所述热载流子的寿命。
[0052]作为优选，在本发明中还可以所述步骤3)和步骤4)之间包含以下步骤:根据步骤2)中电阻和器件的实际温度的线性关系，以及所述步骤3)中所述器件的实际温度和热载流子寿命之间的 对应关系，建立所述电阻和热载流子寿命之间的 对应关系，测量得到电阻后直接在所述电阻和热载流子寿命的曲线上得到热载流子寿命。
[0053]在本发明中通过连接件连接所述待测器件栅极两端或者连接栅极两侧设置虚拟栅极来测量栅极上的热阻，并通过测得的热阻得到待测器件的实际温度，在实际温度下预测所述热载流子的寿命，所述方法同时考虑了应力条件以及栅极热阻等影响因素，消除了热载流子注入时引起的自加热问题，热载流子寿命的预测更加准确。
[0054]本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
【权利要求】
1.一种半导体器件热载流子寿命的测量方法，所述方法包括: 1)测量所述器件栅极上的电阻，所述测量方法为: 1-1)分别电连接所述器件栅极的两端，测量所述栅极的电阻， 或者， 1-2)在所述半导体器件上栅极两侧设置两个虚拟栅极，所述两个虚拟栅极的一端相连接，电连接所述两个虚拟栅极的另一端来测试所述两个虚拟栅极的电阻； 2)根据步骤I)中所述测得的电阻，结合栅极电阻和温度之间的线性关系，得到所述栅极的温度，通过测量所述栅极的温度来监控所述器件的实际温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤3): 计算在步骤2)中所述实际温度下热载流子的寿命，建立所述器件的实际温度和热载流子寿命之间的--对应的关系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤4): 在应力电压下注入热载流子，测量所述半导体器件栅极的电阻，测量所述热载流子寿 命O
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤: 在一定应力漏极电压和栅极电压下，改变器件的实际温度，利用衬底/漏极电流比率模型得到不同实际温度下热载流子寿命，建立所述器件的实际温度和热载流子寿命的一一对应的关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤4)之间包含以下步骤:根据步骤2)中栅极电阻和器件的实际温度的线性关系，以及所述步骤3)中所述器件的实际温度和热载流子寿命之间的一一对应的关系，建立所述栅极电阻和热载流子寿命之间的--对应的关系。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过导线连接所述栅极或虚拟栅极上的电源、电压接线来测量所述栅极电阻。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体器件栅极两端与测量仪的连接件不接触时，所述半导体器件为常规尺寸。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个虚拟栅极之间不通过器件中的接触孔和金属层相连通时，所述半导体器件为常规尺寸。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热载流子漏极电流和自加热测量均在同一器件上进行。
【文档编号】G01R31/26GK103576066SQ201210262027
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月26日 优先权日:2012年7月26日
【发明者】甘正浩, 冯军宏 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司