[发明专利]预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法

权利要求书

1.一种预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法，应用于纳米尺度的半导体器件，其特征是，首先，将半导体器件的源电压V_S与体电压V_B始终置为0，然后，执行如下测试步骤：

第一步，在半导体器件栅端施加电压V_Gmeasure，漏端施加电压V_Dmeasure，测量应力前半导体器件的漏端电流I_D0；然后在栅端施加初始应力电压V_{Gstress_1}，漏端处于零偏置，应力时间为Δt，在应力施加过程中，栅电压在V_{Gstress_1}和V_Gmeasure之间循环跳转，同时漏电压在0和V_Dmeasure之间循环跳转；每个循环中，栅电压为V_{Gstress_1}的时间t₀的最大值要小于10ms；当栅电压为V_Gmeasure，漏电压为V_Dmeasure时监测漏电流I_D，上述每一次循环对应一次I_D的监测，将此定义为一个测试循环；

第二步，在栅端施加的应力电压以K倍增加，K>1，即V_{Gstress_2}＝K·V_{Gstress_1}，漏端仍处于零偏置，应力时间仍为Δt，在应力施加过程中，栅电压在V_{Gstress_2}和V_Gmeasure之间循环跳转，同时漏电压在0和V_Dmeasure之间循环跳转，每个循环中栅电压处于V_{Gstress_2}和V_Gmeasure的时间和第一步对应相同；当栅电压为V_Gmeasure，漏电压为V_Dmeasure时继续监测漏电流I_D；然后再把栅端的应力电压以K倍增加，重复测试，得到N次的测试结果，其中V_{Gstress_N}＝K^(N-1)·V_{Gstress_1}，漏电压施加方法和第一步的施加方法相同；从第1次到第N次的过程连续进行，不存在间隔；阈值电压的退化量ΔV_th由下面的公式得到：

ΔVth=ID0-IDID0(VGmeasure-Vth0)---(1)]]>

其中，I_D是施加应力后每次测量到的漏电流，V_th0是应力前半导体器件的阈值电压；

第三步，由于NBTI应力下阈值电压的退化ΔV_th满足，

ΔVth=AVGstressmtn---(2)]]>

其中，A是前置系数，m是栅端应力电压的指数因子，V_Gstress是在栅端施加的应力电压，n是应力时间的指数因子，t是栅端所加的总的应力时间；将第一步中V_{Gstress_1}下，ΔV_th随应力时间t的数据，根据公式(2)进行幂函数拟合，得到对应的n值和；

第四步，将第2次至第N次应力下得到的ΔV_th等效地转换到V_{Gstress_1}下的阈值电压退化，如公式(3)所示：

其中t_{0_i}是每次应力下，第i个测试循环对应的栅电压为应力电压的时间；

把第2次至第N次应力下每个测试循环对应的应力时间t₀转换到V_{Gstress_1}下的等效应力时间，如公式(4)所示：

teff_1(2→1)=K(2-1)·mn·t0_1...teff_i(2→1)=K(2-1)·mn·t0_i...teff_1(N→1)=K(N-1)·mn·t0_1...teff_i(N→1)=K(N-1)·mn·t0_i---(4)]]>

在转换后，第j次应力第i个测试循环对应的总的应力时间t_ji为：

tji=Δt+Σp=2j-1Σq=1Cteff_q(p→1)+Σq=1iteff_q(j→1)---(5)]]>

其中，C为每一次应力下测试循环的次数；这样使得原本应力逐渐增加的阈值电压退化转化成恒定应力下总的应力时间为t_ji的阈值电压退化；

第五步，由转换后的总的应力时间t_ji，按照公式(2)计算出转换后第j次应力第i个测试循环对应的ΔV_{th转换后-ji}：

转换前后总的ΔV_th之间的误差为：

其中，C为每一次应力下测试循环的次数，ΔV_{th转换前-ji}为转换前第j次应力第i个测试循环测到的I_D按照公式(1)转换的阈值电压退化量；得到的误差Error是m的函数；对m的取值范围进行遍历，由最小的误差Error得到最优的m值；由第三步得到的计算出A值；

第六步，按照第五步得出的m值和A值及第三步得出的n值，转换到V_{Gstress_1}下总的等效应力时间为

tVGstress1=Δt+Σp=2NΣq=1Cteff_q(p→1)---(8)]]>

同样，该等效应力时间根据公式(9)，可以转换到任意工作电压V_G下的等效应力时间：

tVG=tVGstress_1·VGstress_1m/n/VGm/n---(9)]]>

第七步，当阈值电压退化量ΔV_th转化到某一工作电压V_G后，取10年对应的ΔV_th的分布，进而可以求出这个半导体器件在寿命终点时退化ΔV_th的均值和方差，以及半导体器件在寿命终点时的失效几率，即ΔV_th满足失效判断标准的概率；

第八步，在多个同样尺寸同样工艺的半导体器件上重复上述过程，在和第七步相同的工作电压V_G下，分别求出一组ΔV_th的均值和方差，以及失效几率；在该V_G下，进而可以求出ΔV_th的均值在不同器件之间的方差，以及ΔV_th的方差在不同器件之间的方差，以及失效几率在不同器件之间的均值，记为该V_G对应的特征失效几率；

第九步，重复执行第七步和第八步，把ΔV_th转化到其他V_G下，求出不同V_G下ΔV_th的均值在不同器件之间的方差，以及ΔV_th的方差在不同器件之间的方差，以及不同V_G对应的特征失效几率；对应大于等于0且小于1的特征失效几率的工作电压V_G即满足半导体器件10年寿命的工作电压VDD；这样，在半导体器件寿命终点时的NBTI动态涨落就可以表征出来。