[发明专利]用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及用于评价改善负偏压下温度不稳定性效应工艺效果的方法。

背景技术

近十几年来，半导体工业以超乎寻常的速度发展，在集成电路生产方面取得了巨大的成就。目前，已经能够生产出高性能的SOC(系统级芯片)产品。随着半导体工艺进入到超深亚微米级，一些关键问题影响到半导体电路的生产，其中包括NBTI(负偏压下温度不稳定性)效应，即对器件施加负的栅极电压和温度应力条件下所发生的一系列现象，

NBTI效应是影响CMOS器件可靠性的重要因素。由NBTI效应引发的PMOSFET退化逐渐成为影响器件寿命的主要因素。它比由热载流子(HC)效应引发的NMOSFET寿命退化更加严重。NBTI效应是由高温下(通常大于100摄氏度)对PMOSFET栅极施加一定的负偏压造成的。这种情况下在器件老化和工作过程中都可能遇到，表现为饱和电流I_dsat和跨导Gm的不断减小，阈值电压漂移ΔV_th不断增大，亚阈值斜率不断减小等器件参数的变化。它可能增加时序电路中的信号延迟，从而导致时序漂移。在模拟集成电路，特别是在一些参数匹配的应用中，电路工作条件会对匹配的晶体管施加非对称的偏置压力，从而导致明显的参数失配。这将导致老化过程中成品率的降低和工作条件下半导体器件性能的变坏。

近年来，半导体工业界对NBTI效应问题给予了高度的关注，NBTI效应已经成为当今CMOS技术最严重的可靠性问题之一。由于是因为Si-H键被打断而引起的界面的电荷的增加，导致NBTI效应的产生，因此可以设法引入其它可以与Si形成更高键能的元素来代替H，如氘，形成的Si-D键能量高，较Si-H键更难被打断，从而可以减少在偏压下界面电荷的增加。还有其它相同作用的元素，比如氟。另外，亦可藉由控制氧化层的状态使NBTI效应得到改善。氧化层的缺陷与NBTI效应直接相关。在工艺上主要可以通过在生长氧化层前进行预处理和控制生长氧化层的工艺来获得较好的硅/氧化层界面状态和氧化层性能。这些改善NBTI效应的工艺已经被广泛应用于业界中。

判断哪一种改善NBTI效应的工艺效果更好一些，需要对相应的样品进行检测。因此，进行器件加速寿命测试对CMOS器件具有重要意义。器件寿命加速测试是指在高温高压下对器件各项性能的测试，以评估器件在常温常压下的使用寿命的方法。

首先对一些有着同样参数的样品采用不同的工艺以改善NBTI效应，然后进行样品的寿命测试，寿命最长的样品即为最佳的样品，该样品所对应的工艺条件即为改善NBTI效应最佳的工艺条件。以PMOS器件为例，采用三个样品，现有的进行改善NBTI效应工艺后检测半导体器件寿命的方法如图1所示。

如图1所示，现有的测试NBTI效应的方法选取一些具有同样参数的样品，例如样品1、样品2和样品3，这些样品均具有相同的参考参数，例如各样品均具有相同的I_dsat(饱和电流)。对这些样品实施不同的工艺以改善其NBTI效应。将样品1、样品2和样品3施加一段时间t₁的应力。这里的应力应该指外界施加的能够加速样品老化的手段，例如将PMOS器件的栅极电压V_g调整为-2V。然后对三个样品进行测试，观测各自的ΔI_dsat值，其中ΔI_dsat是指I_dsat的漂移量，计算出此时的ΔI_dsat/I_dsat是否达到报废值，这里的报废值为人为设定的半导体器件报废的值。之后将没有达到报废值的样品施加一段时间t₂的应力，然后立即对样品进行同样的测试，即测试ΔI_dsat，计算出此时的ΔI_dsat/I_dsat是否达到报废值；将没有达到报废值的样品施加一端时间t₃的应力，然后立即对样品测试ΔI_dsat……如此循环，一直到施加应力时间为t_s时，然后立即对样品进行测试，直到所有的样品均已报废。此时，观测哪个样品的寿命最长，即可判定相应样品所对应的改善NBTI的工艺条件为最佳条件。