[发明专利]预测半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件可靠性领域，涉及到纳米尺度半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的预测方法。

背景技术

在纳米尺度半导体器件中，负偏置温度不稳定性NBTI(Negative Bias Temperature Instability)引入的动态涨落会直接影响电路的稳定性，并且随着半导体器件尺寸的缩小而呈现逐渐增大的趋势。从另一方面来说，随着半导体器件的老化，尤其在半导体器件寿命的终点时，栅氧化层陷阱的产生，导致NBTI动态涨落的影响越来越显著。因此，研究寿命终点下的NBTI动态涨落，并且把半导体器件与半导体器件之间的涨落(Device-to-device variation,DDV)以及半导体器件在不同工作循环之间的涨落(Cycle-to-cycle variation,CCV)均考虑进来，对于纳米尺度下的电路设计具有重要指导意义。目前尚没有适用于纳米尺度半导体器件的相关评价方法提出，因此亟需提出一种评价纳米尺度半导体器件寿命终点时NBTI动态涨落的方法。

发明内容

术语约定：本文出现的寿命终点均是指半导体器件第10年的寿命。

本发明的目的在于提供一种适用于纳米尺度半导体器件在寿命终点时NBTI动态涨落的预测方法。

在纳米尺度下，本发明提出半导体器件在寿命终点时的NBTI动态涨落必须用三维的观点来看待。由于CCV和DDV的影响，纳米尺度半导体器件能满足10年寿命的正常工作电压VDD不再是定值，即有无数个VDD均可以满足半导体器件10年的寿命要求。对于寿命终点时的三维NBTI动态涨落，一个维度是VDD，在每一个VDD下，寿命终点时的NBTI动态涨落是一个二维问题：一个维度是每个器件退化的均值在器件之间的涨落，另一个维度是每个器件退化的方差在器件之间的涨落。

本发明的技术方案如下：

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：