[发明专利]一种实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件可靠性测试领域，具体是PMOS器件的NBTI效应会在器件界面处产生界面态度电荷，该方法能够实时的监控界面态产生的变化。

背景技术

近几十年来，随着电路的集成度的提高，器件尺寸也逐渐缩小到深亚微米以致纳米量级。同时，随着器件特征尺寸缩小，器件性能也在不断变化发展。但是，器件特征尺寸的减小也带来了各种可靠性问题，其中主要包括热载流子效应(HCI)、负偏压热不稳定效应(NBTI)等。可靠性问题主要是由于外加应力导致器件内Si-SiO₂界面以及栅介质层中产生一些陷阱，严重影响着小尺寸器件的各种特性。所以，能够准确地而即时地测量界面态电荷密度对于器件可靠性的研究尤为重要。

由于在外界应力下产生的界面陷阱电荷具有非均匀分布的特点，因此靠传统的中带阈值电压方法、电容(C-V)方法，导纳(Conductance)方法，深能级瞬态谱(DLTS)和随机电报噪声(Random Telegraph Noise)很难可靠、准确地测量器件在外界应力下产生的缺陷。而目前比较广泛应用的测量界面态电荷密度的方法主要是电荷泵技术(Charge Pumping)。

电荷泵技术于1969年由J.Stephen.Brugler提出，主要的原理如图1所示，器件的源漏同时加一反偏电压，栅极加一脉冲电压。当给NMOS器件栅极加一正脉冲电压高于阈值电压V_th，使表面被深耗尽而进入反型状态时，电子将从源漏区流入沟道，其中一部分会被界面态俘获。当栅脉冲电压值低于平带电压V_fb，使器件表面返回积累状态时，沟道中的可动电子由于反偏作用又回到源和漏区。陷落在界面态中的电子由于具有较长的退陷时间常数，在沟道消失之后仍然陷落在界面态中，将与来自衬底的多数载流子复合，产生衬底电流I_cp。由于I_cp电流大小对界面陷阱非常敏感，它直接正比于界面态密度、器件栅面积和栅脉冲频率，所以界面陷阱的变化会直接反映在I_cp上。其中公式1反映了他们之间的关系

Nit‾=Icpq×Area×f]]>(公式1)

为平均界面态密度，q是基本电荷量，Area是栅面积，f是脉冲频率。

直流NBTI效应偏置条件为在栅端接一直流应力电压，其余各端(源端、源端和衬底)均接地，同时施加高温。而在电荷泵测试过程中，栅端接一脉冲信号，其余各端(源端、源端和衬底)均接地。然而在一般的半导体测试仪中，直流信号和脉冲信号产生模块不同，在施加NBT(Negative Bias Temperature)应力后需要更换信号源模块才能进行电荷泵电流测量，因此会造成一定的NBTI退化恢复，导致NBTI退化机理分析不准。

发明内容

本发明的目的在于利用电荷泵测试法提供一种实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法。

本发明将施加NBT应力过程和电荷泵测试过程统一到一个测试模块中，减少NBTI退化的恢复。本发明PMOS器件的源端、源端和衬底均接地，将栅端的直流电压信号源变为脉冲信号源，即：

V_stress1＝V_stress2-ΔVg    (公式2)

其中|ΔVg|＜＜|V_stress1|≈|V_stress2|，V_stress1和V_stress2分别为栅端脉冲低电平和高电平。

本发明提供的实时监控NBTI效应界面态产生的测试方法，如图2所示，在施加NBT应力过程中，在NBT应力阶段，栅端脉冲电压以一定的频率f在高电平和低电平间来回波动，其中频率f需要足够大，一般大于1MHz。