专利名称：移动正离子污染的测试装置及方法
技术领域：
本发明是有关于一种测试装置及方法，特别是有关于一种移动正离子污染(Positive Mobile Ion Contamination，以下简称为PMIC)的测试装置及方法。
早期MOS技术发展所面临的最严重问题之一，便是被称为″移动离子问题(Mobile ion problem)″的电性不稳定性(Electricalinstability)。亦即，利用平面工艺(Planar technology)制成的MOS晶体管组件，其门限电压(VT)将会更负于理论预测值。另外，在升温的偏压操作中，MOS晶体管组件亦会变得十分不稳定。MOS晶体管组件的门限电压(VT)会随着正栅极偏压的增加而往更负的方向偏移。门限电压(VT)的偏移大小及偏移速率则会随着温度而增加。不过，负栅极偏压却不会产生门限电压的偏移效应，且可以维持电性稳定。因此，大部分学者乃将电性不稳定性的成因归吝于栅氧化层中移动正离子(特别是Na+及K+)的漂移。
不过，移动正离子(Positive mobile ion)却常会在金属和平面化蚀刻(Metals and planarization etching)及光敏电阻移除(Photoresistor stripping)时引入栅氧化层，且这些工艺均是多层金属工艺(MLM processing)所无法或缺的步骤。因此，当组件尺寸日益缩小之际，便需要施行一晶片阶段可靠度测试(WLR test)，据以确定在何种工艺中引入移动正离子污染(PMIC)，进而寻求减少或消除移动正离子污染的方案。
通常，减少移动正离子污染的常见手段包括降低栅氧化层中的移动正离子浓度、固定(Immobile)栅氧化层中的离子、中和栅氧化层中的离子。举例来说，可在栅氧化层表面沉积磷硅玻璃(PSG)、在多晶硅栅极中植入磷离子、利用磷硅玻璃(PSG)作为介层材料，藉以吸附(Gettering)引入栅氧化层的移动正离子。或者，可在栅氧化层生长时将氯离子掺入Si/SiO2界面、在炉管预氧化清洁(Preoxidationcleaning of furnace tubes)时使用氯离子，藉以中和(Neutralize)栅氧化层中的移动正离子。或者，可以改善化学物品及气体的纯度、改善设备及晶片清洗技术，藉以提供更为洁净的生产线(Fabricationline)。
以现今技术而言，晶片阶段可靠性测试(WRL test)通常是配合SEM/EDS、XSEM、XTEM、三维SIMS等仪器以测量移动正离子污染(PMIC)的数量及位置。这些仪器可精确地获知移动正离子污染的数量及位置，但却存在几个缺点。首先，这些仪器均相当昂贵，且需要专家操作及分析获取的信息；其次，这些仪器均采用破坏性的测量方法，故测量效能(throughput)相当低。因此，如何在非破坏性、低成本、高测量效能的条件下，完成晶片阶段可靠性测试，乃成为熟习该领域者所极欲探知。
在集成电路的工艺中，移动正离子污染(PMIC)的浓度通常是在MOS电容上施加偏压及温度应力以得到电容-电压(C-V)曲线，并利用平带电压(flatband voltage)差值以推算出来。
第1A~1D图是利用偏压和温度应力(BTS)技术测量移动正离子污染的示意图。在未施加任何偏压及温度应力时，移动正离子会均匀地分布在栅氧化层中，如第1A图所示。首先，在多晶硅或金属栅极上施加一大小约1~2MV/cm的正向偏压，将栅氧化层中的移动正离子全部推斥至半导体基底与栅氧化层的界面，如第1B图所示。然后，将应力温度逐步升高至100~200℃，并维持此温度达3~50分钟。然后，将应力温度逐步降低至室温，并移除正向偏压以测量得到一电场变化。随后，在多晶硅或金属栅极上施加一大小约-1~-2MV/cm的负向偏压，将栅氧化层中的移动正离子全部吸引至多晶硅或金属栅极与栅氧化层的界面，如第1C图所示，并重复上述各步骤以测量得到另一电场变化。如此，移动正离子污染(PMIC)的浓度便可以经由平带电压(flatband voltage)差值以推算出来，如第1D图所示，亦即NM=COX|ΔVFB|q---(1)]]>不过，这种技术只能适用在薄氧化层，而无法对厚氧化层中的移动正离子污染(PMIC)进行观测。
第2A~2C图是利用三角电压扫描(TVS)技术测量移动正离子污染的示意图。如第2A~2B图所示，三角电压扫描(TVS)技术首先会对多晶硅或金属栅极施加正向偏压VG及应力温度T。接着，再将应力温度T急降至约-20℃的低温，藉以将移动正离子俘获(Trap)在半导体基底与门氧化层的界面。此时，移动正离子并没有足够的动能，因此即便电场改变亦不会产生电流。接着，应力温度T便会以约0.5℃/sec的速度自低温逐步升高。当应力温度T升高时，困在半导体基底与门氧化层界面的移动正离子便会被热激发出来(Thermally excited)。在第2C图中，两个位移电流(Displacement current)的高峰分别是Na+及K+被热激发出来的位置。因为Na+的激发能量小于K+的激发能量，亦即E(Na+)＜E(K+)，因此K+位移电流高峰会位于Na+位移电流高峰的右侧。另外，Na+及K+的数量则分别正比于Na+电流高峰及K+电流高峰下方的面积。
不过，这种技术所侦得的位移电流非常微弱，因此必须占用较大的芯片面积(Chip area)，并结电容亦会造成极大的实验误差。
第3A~3C图亦是利用三角电压扫描(TVS)技术测量移动正离子污染的示意图。如第3A~3B图所示，三角电压扫描(TVS)技术首先会对多晶硅或金属栅极施加正向偏压VG及应力温度T，以电场将移动正离子维持在半导体基底与栅氧化层界面。接着，将正向偏压VG调整至起始条件，并以约5~100mV/s的速度自此起始条件逐步降低。当电场改变时，移动正离子便会漂移(Drift)及扩散(Diffuse)至多晶硅或金属栅极与门氧化层界面。在第3C图中，两个电流高峰分别是Na+及K+被解析(Resolved)出来的位置，Na+及K+的数量则分别正比于Na+电流高峰及K+电流高峰下方的面积，如第2C图所示。
不过，这种技术亦只能适用在薄氧化层，而无法对厚氧化层中的移动正离子污染(PMIC)进行观测。
本发明的目的就是提供一种移动正离子污染的测量装置及方法，可在晶片阶段可靠性(WLR)测试中，迅速地测量出移动正离子污染的位置及数量。
利用多晶硅电阻所产生的功率消耗来提高Na+及K+的动能，藉以在短时间内达到测量的效果。
可非破坏性地完成移动正离子污染的测量，且具有成本低及分辨率高的优点。
本发明提出一种移动正离子污染(PMIC)的测量装置，设置于半导体基底上。半导体基底是以场氧化层定义主动区，并在主动区中设置有MOS晶体管。移动正离子污染的测量装置则是由加热装置、温度测量装置、栅极所构成。加热装置是设置在该等场氧化层的表面，藉以加热半导体基底。温度测量装置是设置在加热装置的表面，藉以测量半导体基底的温度，进而作为调整的依据。栅极是设置在加热装置的上方，藉以施加偏压。其中，加热装置可以是多晶硅层；温度测量装置可以是Kelvin结构的铝线；外接电流计则可以在各种条件下测量半导体基底的电荷抽运电流，藉以推得移动正离子污染的数量。
另外，本发明亦提供一种移动正离子的测量方法。首先，提供一半导体基底，其移动正离子污染会随机地分布于半导体基底与栅极相间的介电层中。然后，分别经由栅极施加大小约-1~-2V的负向偏压及大小约+1~+2V的正向偏压，藉以将移动正离子污染吸引至介电层与栅极的界面及推斥至介电层及半导体基底的界面、并施加电流至多晶硅加热器，藉以将整个半导体基底的温度升高至400℃达约1分钟。当施加负向偏压时，MOS晶体管的栅极及源极/漏极区连接至地点(0V)、且半导体基底亦连接至地点(0V)。当施加正向偏压时，MOS晶体管的栅极及半导体基底连接至正电源(+5V)，MOS晶体管的源极/漏极区连接至地点(0V)。然后，将测试温度再降低至室温、并分别以电流计测量电荷抽运电流(Charge pumping current)。如此，两电荷抽运电流的差值便可用作移动离子的相对值、据以推导得到移动正离子污染的数量及位置。
本发明移动正离子污染的测量装置及方法，可在晶片阶段可靠性测试中，迅速地测量出移动正离子污染的位置及数量。另外，利用多晶硅电阻所产生的功率消耗来提高Na+及K+的动能，可以在短时间内达到测量的效果。再者，可非破坏性地完成移动正离子污染的测量，且具有成本低及分辨率高的优点。
为让本发明之上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图
，作详细说明如下第1A～1D图利用偏压和温度应力(BTS)技术测量移动正离子污染的示意图；第2a~2C图利用一种三角电压扫描(TVS)技术测量移动正离子污染的示意图；第3A~3C图利用另一种三角电压扫描(TVS)技术测量移动正离子污染的示意图；第4图本发明移动正离子污染的测试装置的剖面示意图；第5图第4图中Kelvin结构的平面示意图；以及第6图本发明移动正离子污染的测试方法的流程图。
为在晶片阶段可靠性测试中节省测量时间，本发明乃在场氧化层上覆盖多晶硅层、并利用其电阻效应所造成的功率消耗(IR2)来加热欲测试结构，使移动正离子污染(如Na+及K+)的迁移率(Mobility)提高，进而能在短时间内跑至预定位置，完成测量效果。
请参考第4图，此即本发明移动正离子污染的测量装置的剖面示意图。如图中所示，半导体基底10是由场氧化层FOX定义主动区12，其中设有栅极13、源极/漏极区14以构成MOS晶体管。本发明移动正离子污染的测量装置则是由多晶硅加热器15、Kelvin结构的金属绕线16、多晶硅或金属栅极17(以下以金属栅极17称之)所构成。多晶硅加热器15是在场氧化层FOX的表面沉积多晶硅层以得到。Kelvin结构的金属绕线16是在多晶硅层的表面分布金属绕线以得到。金属栅极17则是在MOS晶体管的上方沉积金属层以得到。
接着，说明本发明的工作原理。在这个实施例中，多晶硅加热器15所产生的功率效耗可表示成IP2×R＝IP2×R0(1+TCRPOLY×ΔT)(2)其中，IP是施加在多晶硅加热器15的电流，R0是多晶硅加热器15在室温下的阻值，TCRPOLY则是多晶硅加热器15的阻值温度系数(在-65＜T＜400间约为0.04％/℃)，ΔT则是多晶硅加热器15的温度变化。
由于半导体基底10(尤其硅基底)是良好的热导体，其较于局部区域(Local area)可视为很大的热能汇集处(Thermal sink)，因此多晶硅加热器15所造成的功率消耗，绝大部分是往下的。因此，若WP表示多晶硅层宽度、LP表示多晶硅层长度、K表示多晶硅材质的热传导率(Thermal conductivity)、h表示场氧化层FOX的厚度，则施加在多晶硅加热器15的电流IP可以利用下式而由温度变化ΔT推导得到IP2×R0(1+TCRPOLYΔT)＝KWPLPΔT/h(3)举例来说，将多晶硅加热器15加热至400℃需要施加500mA电流。另外，本发明亦利用Kelvin结构的金属绕线16以立即(In-situ)地侦测多晶硅加热器15的温度，藉以作为测试温度的调整依据，使温度误差控制在1％内。
以Kelvin结构的金属绕线16测量半导体基底10温度的方法说明如下。首先，将一组铝金属线绕过多晶硅加热器15，如第5图所示。然后，在焊垫PAD1及焊垫PAD2之间设置电流源20、并在焊垫PAD3及焊垫PAD4之间设置电压计22。如此，铝金属线在多晶硅加热器15上的阻值便可利用下式推导得到Rm=VI|I→0---(4)]]>在实际应用中，电流源20通常会选择在5mA以下，避免因金属自加热效应(Self heating)而造成的测量误差。另外，铝金属线的阻值，如多晶硅加热器15，亦会随着温度的升高而约略增加，其可以表示为下式Rm＝Rm0(1+TCRm×ΔT)(5)其中，Rm0是铝金属线在室温时的阻值，TCRm是铝材质的阻值温度系数(约0.3％/℃)，ΔT是多晶硅加热器15的温度变化。
因此，多晶硅加热器15的实际温度可以透过铝金属线的阻值变化而计算出来。举例来说，若温度上升至400℃时，铝金属线的阻值会是在室温时的2.1倍。
请参考第6图，此即本发明移动正离子污染的测量方法的流程图。
首先，如步骤S1所示，提供一半导体基底10。此时，移动正离子污染会随机地分布于半导体基底10上金属栅极17与栅极13间的介电层18，如第4图所示。
然后，如步骤S2所示，经由金属栅极17施加大小约-1~-2V的负向偏压，藉以将移动正离子污染吸引至介电层18及金属栅极17的界面、并施加电流至多晶硅加热器15，藉以将整个半导体基底10的温度升高至400℃达约1分钟。此时，MOS晶体管的栅极13及源极/漏极区14连接至地点(0V)、半导体基底10则连接至地点(0V)。
然后，如步骤S3所示，将测试温度降低至室温、并以电流计24测量半导体基底10的电荷抽运电流(Charge pumping current)，其表示为ICP0。
接着，如步骤S4所示，经由金属栅极17施加大小约+1~+2V的正向偏压，藉以将移动正离子污染推斥至介电层18及MOS晶体管(栅极13及源极/漏极区14)的界面、并施加电流至多晶硅加热器15，藉以将整个半导体基底10的温度升高至400℃达约1分钟。此时，MOS晶体管的栅极13及半导体基底10连接至正电源(+5V)，MOS晶体管的源极/漏极区14则连接至地点(0V)。
然后，如步骤S5所示，将测试温度降低至室温、并以电流计24测量半导体基底10的电荷抽运电流(Charge pumping current)，其表示为ICP1。
然后，如步骤S6所示，以施加负向偏压及施加正向偏压时的电荷抽运电流差值Icp1-ICP0作为移动离子的相对值，据以推得移动正离子污染的数量及位置。
综上所述，本发明移动正离子污染的测量装置及方法，可在晶片阶段可靠性测试中，迅速地测量出移动正离子污染的位置及数量。
另外，本发明移动正离子污染的测量装置及方法，利用多晶硅电阻所产生的功率消耗来提高Na+及K+的动能，可以在短时间内达到测量的效果。
再者，本发明移动正离子污染的测量装置及方法，可非破坏性地完成移动正离子污染的测量，且具有成本低及分辨率高的优点。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种移动正离子污染(PMIC)的测量装置，其特征在于该测量装置设置于一半导体基底上，该半导体基底是以场氧化层定义一主动区，该主动区中则设置一MOS晶体管，包括一加热装置，设置于该等场氧化层的表面以加热该半导体基底；一温度测量装置，设置于该加热装置的表面以测量该半导体基底的温度，进而作为调整的依据；以及一栅极，设置于该MOS晶体管的上方以施加偏压。
2.如权利要求1所述的移动正离子污染的测量装置，其中，该加热装置是一多晶硅层。
3.如权利要求1所述的移动正离子污染的测量装置，其中，该温度测量装置是Kelvin结构的金属绕线。
4.如权利要求3所述的移动正离子污染的测量装置，其中，该Kelvin结构的金属绕线是由铝线所构成。
5.如权利要求1所述的移动正离子污染的测量装置，更包括一外接电流计，用以测量该半导体基底的电荷抽运电流。
6.如权利要求1所述的移动正离子污染的测量装置，其中该栅极是金属栅极。
7.如权利要求1所述的移动正离子污染的测量装置，其中该栅极是多晶硅栅极。
8.一种移动正离子污染的测量方法，其特征在于包括提供一半导体基底，利用场氧化层定义一主动区，该主动区中设置一MOS晶体管，该等场氧化层表面设置一加热装置，该MOS晶体管上方则设置一栅极；分别经由该栅极施加一负向偏压及一正向偏压，藉以将移动正离子污染吸引至该栅极界面及推斥至该MOS晶体管界面；以该加热装置加温该半导体基底一段时间后，再降低至室温；以及分别测量施加该负向偏压及施加该正向偏压时的电荷抽运电流，并利用其差值推导移动正离子污染的数量。
9.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中，该负向偏压是在-1～-2V之间。
10.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中，该正向偏压是在+1～+2V之间。
11.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中，该加热装置是先将该半导体基底升温至400℃达1分钟后，再降低至室温。
12.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，当施加该负向偏压时，该MOS晶体管的栅极及源极/漏极区连接至地点，且该半导体基底亦连接至地点。
13.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，当施加该正向偏压时，该MOS晶体管的栅极及该半导体基底连接至正电源，该MOS晶体管的源极/漏极区则连接至地点。
14.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中，该等电荷抽运电流是经由一串连该半导体基底的电流计测量得到。
15.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中，该加热装置可以在该等场氧化层表面沉积一多晶硅层以得到。
16.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中，该温度测量装置可以在该加热装置表面分布Kelvin结构的金属绕线以得到。
17.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中该栅极是金属栅极。
18.如权利要求8所述的移动正离子污染的测量方法，其中该栅极是多晶硅栅极。
全文摘要
一种移动正离子污染(PMIC)的测量装置,设置于半导体基底上。半导体基底上设置有MOS晶体管。移动正离子污染的测量装置则是由加热装置、温度测量装置、栅极所构成。加热装置是设置在等场氧化层的表面。温度测量装置是设置在加热装置的表面,以测量的温度作为调整的依据。闸极是设置在加热装置的上方。其中,加热装置可以是多晶硅层;温度测量装置可以是Kelvin结构的铝线;外接电流计则可以在各种条件下测量半导体基底的电荷抽运电流,藉以推得移动正离子污染的数量。
文档编号H01L21/66GK1377068SQ0111017
公开日2002年10月30日 申请日期2001年3月28日 优先权日2001年3月28日
发明者陈伟梵 申请人:华邦电子股份有限公司