專利名稱：偏置溫度不穩(wěn)定性測試的方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及集成電路，更特別地，涉及偏置溫度不穩(wěn)定應力下集成電路行為
的確定。
背景技術：
集成電路的可靠性相關問題已經存在了幾十年。過去，偏置溫度不穩(wěn)定性(BTI，當 與PMOS器件相關時，經常稱作負偏置溫度不穩(wěn)定性(NBTI))相關的問題已經對集成電路的 設計產生了重要影響。為了預測集成電路的行為和可靠性，需要建立以特別為集成電路模 擬的程序(SPICE)衰減模型(aging model)，這就需要執(zhí)行BTI測試來收集集成電路器件的 數據。 BTI測試中最廣泛使用的參數是飽和漏極電流(Idsat)減小量A Idsat、線性漏極 電流漏電流(Idlin)減小量AIdlin和閾值電壓(Vt)減小量A Vt，它們表示器件是如何隨 著高溫應力和電壓應力而下降的。圖1示出了測量一個參數如AIdsat的傳統(tǒng)方案。Y軸 代表BTI減小量，可以是由應用到器件上的應力引起的Idsat減少量的百分比。X軸代表 應力時間。每個應力后，測量關注的參數。應注意到，在測試參數的時刻，器件從應力中恢 復一部分(注意圓點的下降)，因此，Idsat減小量AIdsat減小了。使用圖l中所示的方 法，僅有一個參數(如Idsat減小量A Idsat)可以被測量。 然而，為了建立衰減模型，AIdsat、 AIdlin和AVt都是必需的。因此，所有這些 參數(優(yōu)選地，來自同一器件)都需要被測量，這是因為這三個參數是密切相關的。圖2示 出了測量這三個參數的第二種方法。在一段應力時間后，測量A Idsat，然后測量其他參數。 在所示的實例中，執(zhí)行I-V掃描，從而可以提取AIdlin和AVt。但是，應注意到，在測量 AIdsat、 AIdlin和A Vt的時間內，器件不斷地從先前的應力中恢復。因此，A Idsat值實 際上代表與A Idlin和AVt值不同的器件減小量的值。例如，在測量AIdsat的時刻，器 件可下降5%，但是當測量AIdlin和AVt時，器件已經恢復到減小量只有4X的水平。因 此，測量的AIdsat、 AIdlin和A Vt值不能夠反映這些參數之間的真實相關性。這種不準 確反映的相關性將對通過這些測量結果建立的SPICE衰減模型產生不利影響。
圖3示出了使用圖2所示的方法所獲得的結果，其中A Idsat和A Idlin作為 應力時間的函數。圖3暴露了傳統(tǒng)BTI測試方法的一些缺陷。首先，可發(fā)現，表示測量的 AIdsat值的圓點比表示測量的AIdlin值的方點大。這些結果與實際情況沖突，實際情況 中，AIdsat值應該總是比A Idlin值小。其次，A Idsat的斜率是0. 13，與A Idlin的斜 率(0. 17)明顯不同。這也與實際情況沖突，實際情況中，AIdsat值的斜率應該與A Idlin 值的斜率基本相同。 在圖3中，AIdsat值比A Idlin值大的不正確結果是在測量A Idlin和AVt值 之前測量AIdsat值的后果。但是，如果在測量AIdsat之前測量A Idlin和AVt值，那 么AIdsat值將比A Idlin值小。這說明測量誤差已經統(tǒng)治了傳統(tǒng)BTI測試方法的測量。
圖4示出了作為應力時間函數的閾值電壓減小量AVt。應注意到，提取的斜率是
40. 217，也與AIdsat和Aldlin的斜率明顯不同。再一次地，與真實情況沖突，真實情況中， A Vt的斜率應該基本等于A Idsat和A Idlin的斜率。因此，需要一種新的測量方法解決 上面討論的問題，提供更準確的建模。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方面， 一種在器件上執(zhí)行偏置溫度不穩(wěn)定性測試的方法包括在 器件上執(zhí)行第一應力。第一應力后執(zhí)行第一測量來確定器件的第一參數。在第一測量后， 在器件上執(zhí)行第二應力，其中第一應力和第二應力之間僅測量第一參數。第二應力后，執(zhí)行 第二測量來確定器件的第二參數。第二參數與第一參數不同。 根據本發(fā)明的另一個方面，一種執(zhí)行偏置溫度不穩(wěn)定性測試的方法包括設置器件 以及在器件上執(zhí)行第一應力。第一應力后，執(zhí)行第一測量來確定器件的第一參數。第一參 數選自基本由飽和電流減小量、線性電流減小量和閾值電壓減小量構成的組。該方法還包 括第一測量后，在器件上執(zhí)行第二應力。第二應力后，執(zhí)行第二測量來確定器件的第二參 數。第二參數也選自該組中，并且不同于第一參數。在整個偏置溫度不穩(wěn)定性測試期間，任 意兩個連續(xù)的應力之間測量不多于一個的參數。 根據本發(fā)明的再一個方面，一種執(zhí)行偏置溫度不穩(wěn)定性的方法包括設置晶體管； 以及在晶體管上執(zhí)行應力。在第一對連續(xù)的應力之間測量晶體管的飽和電流減小量。在第 二對連續(xù)的應力之間測量晶體管的線性電流減小量。在第三對連續(xù)的應力之間測量晶體管 的閾值電壓減小量。在第一、第二和第三對連續(xù)的應力的任意一對之間，飽和電流減小量、 線性電流減小量和閾值電壓減小量中不多于一個被測量。 本發(fā)明的優(yōu)勢包括減小應力測試中的應力恢復時間，從而保護測試參數之間的相 關性。


為了更全面地理解本發(fā)明和其優(yōu)勢，將下面結合附圖的描述作為參考，其中
圖1示出一種傳統(tǒng)的偏置溫度不穩(wěn)定性測試方案，其中僅有一個參數被測量；
圖2示出另一種傳統(tǒng)的偏置溫度不穩(wěn)定性測試方案，其中三個參數被測量。
圖3和圖4為使用如圖2所示的測試方案獲得的結果； 圖5示出本發(fā)明的一個實施例，其中在任意兩個連續(xù)的應力之間僅測試多個參數 中的一個； 圖6示出應力前和應力后獲得的示例性I-V曲線，用來確定閾值電壓減小量AVt ; 以及 圖7和圖8為使用如圖5所示的測試方案獲得的結果。
具體實施例方式
下面，詳細描述本發(fā)明實施例的制作和使用。然而，應該認識到，本發(fā)明提供了很 多可以體現為特定內容的多種變體的適用發(fā)明概念。所描述的特定實施例僅僅是制作和使 用本發(fā)明的特定方式的說明，其并不用于限制本發(fā)明的范圍。 提供了一種新型的偏置溫度不穩(wěn)定性(BTI)測試方法。在下面的討論中，使用飽和漏電流減小量(degradation) A Idsat (在下文中也稱作Idsat減小量)、線性漏電流減小 量AIDlin(也稱作IDlin減小量)和閾值電壓減小量A Vt (也稱作Vt減小量)作為實例 來說明本發(fā)明的原理。然而，本發(fā)明的教導也適用于其他相關參數減小量的測量。此外，使 用晶體管作為示例性的測試器件，但是本發(fā)明的實施例也可應用于其他類型器件的測量， 包括但不局限于，NMOSFET、高壓(HV)器件等。 圖5示出了本發(fā)明的一個示例性測試方案，其中BTI減小量被作為時間的函數進 行描述。測試器件是具有柵極、漏極和源極的晶體管(未示出)。Y軸代表BTI減小量，其 可使用百分比的Idsat減小量A Idsat、百分比的Idlin減小量A Idlin、和/或百分比的 閾值電壓減小量AVt表示。X軸表示時間。在一個示例性的實施例中，X軸是對數刻度。
在BTI測試的開始(時刻TO)，執(zhí)行第一 I-V掃描。在一個實施例中，通過施加固 定漏極電壓，將柵極電壓從OV掃描到VCC執(zhí)行第一 I-V掃描，從而獲得相應的I-V曲線。示 例性I-V曲線在圖6中作為線10示出。在第一 I-V掃描后，執(zhí)行第一應力，其中相應的測 試器件在升高的溫度下被施加應力，如125°C。在BTI測試的第一應力和隨后的應力期間， 可以對測試器件的柵極施加非零柵極電壓。在第一應力和隨后的應力中，測試器件的下降 繼續(xù)，通過圓點的Y值的增加而示出。 在第一應力后，執(zhí)行第一測量來測量第一參數，例如，IDsat減小量AIdsat，但是 第一參數也可以是Idlin減小量AIdlin或Vt減小量AVt。第一測量開始于時刻Tl，結 束于時刻T1'。在整個描述中，使用術語"測量"和"測定"表示確定AIdsat、 A Idlin或 △Vt的動作，可表示直接測量這些參數，或通過分別測量Idsat、Idlin和Vt后計算當前測 量值與應力前測量值的參數差來確定這些參數。應認識到，在測試時間ATl內，發(fā)生下降 恢復，通過圖5示出圓點的下降。為了減小恢復的影響，測試時間AT1(等于T1'-T1)優(yōu)選 地盡可能的短。如本領域技術人員所熟知，測試時間ATl與測試使用設備的能力有關，可 以縮短至毫秒級。但是，也可需要更長的時間。由于恢復的程度與測試時間ATl有關，所 述在第二應力前僅執(zhí)行一個參數的一次測量，測量開始于時刻Tl'，以使測試時間ATI被 縮短了。在所示的實例中，在第一測試時間ATI內僅測量Idsat減小量AIdsat。
在通過在升高的溫度下伴隨施加給測試器件的應力電壓執(zhí)行的第二應力期間，測 試器件的下降繼續(xù)。在時刻T2，第二應力停止，執(zhí)行第二參數的第二測量。在本發(fā)明的優(yōu)選 實施例中，第二參數與第一參數不同。因此，第二參數優(yōu)選地選自Idlin減小量A Idlin和 閾值電壓減小量AVt。在可替換的實施例中，第一參數可在時刻T2再一次被測量。
優(yōu)選地，第二測試時間A T2 (等于T2-T2')也盡可能的短。更優(yōu)選地，第二測試時 間AT2優(yōu)選地基本等于第一測試時間AT1。因此，即使在第二測試時間AT2內有恢復效 應，恢復的程度也與第一測試時間ATI內的恢復程度類似。有利地，通過保持不同測量之 間的恢復效應的程度相同，保持不同參數之間的相關性。同樣，在第二應力和隨后的第三應 力期間，僅執(zhí)行一個參數的一次測量。 在第三應力后，從時刻T3開始執(zhí)行第三測量。在一個實施例中，關于與第一參數 和第二參數不同的參數執(zhí)行第三測量。在一個示例性的實施例中，第一、第二和第三參數分 別是Idsat減小量AIdsat、 Idlin減小量AIdlin和Vt減小量AVt。在其他實施例中， 關于已經測量的第一參數和第二參數中的一個執(zhí)行第三測量。同樣，在第三測試時間AT3 內，僅測量一個關注的參數。測試時間AT3優(yōu)選地很短，更優(yōu)選地基本與測試時間AT1和AT2相等。 第三測量后，執(zhí)行更多的應力，跟隨更多的測量，其中重復上面討論的步驟。優(yōu)選 地，貫穿整個BTI測試，在任意兩個連續(xù)的應力之間執(zhí)行一個參數的一次且僅一次測量。對 于每個參數，測量基本均勻地分布在整個測試過程中。更優(yōu)地，兩個連續(xù)的測量(盡管被一 個應力分開)優(yōu)選地(但不要求)針對不同的參數執(zhí)行。因此，優(yōu)選地以循環(huán)的方式測量 下面列出一些可能的測量組合。應認識到，通過應用上面討論的原理，可開發(fā)出更
-應力一AVt—應力一Aldsat—應力
組合包括，但不限于 應力—Aldsat—應力—AIdlin
多組合的測3
1. —AIdlin____ 2.應力一AVt—應力一Aldlin—應力一Aldsat—應力一AVt—應力 —AIdlin____力….
及
3.應力—Aldsat—應力—Aldlin—應力—Aldsat—應力—Aldlin—應
4.應力一Aldsat—應力一AVt—應力一Aldsat—應力一AVt—應力
以
5.應力一Aldlin—應力
A Vt —應力
AVt—應力一Aldlin—應力 —AIdlin... 應力和測量序列后，在時刻Tend，應力和測量步驟結束。溫度回到室溫，應力電壓 從測試器件斷開，由此產生恢復。在一段足夠長使得器件停止恢復的時間之后，例如，時刻 Tend后的30分鐘(表示為T (end+30))，執(zhí)行第二 I_V掃描，例如，使用基本與時刻TO執(zhí)行 的第一 I-V掃描相同的方法。在時刻TO和時刻T(end+30)執(zhí)行的I_V掃描可用來顯現出
參數的相關性。在可替換的實施例中，不執(zhí)行第一和第二 i-v掃描。 為了保證測試時間AT1、 AT2、 A T3彼此基本相等，所有參數的測量優(yōu)選的足夠 短。傳統(tǒng)地，閾值電壓減小量AVt可通過執(zhí)行一次I-V掃描測量。然而，多次I-V掃描通 常地比測量Idsat減小量A Idsat花費明顯更長的時間，因此，由多次I-V掃描引起的恢復 效應比測量Idsat減小量A Idsat引起的恢復效應大。下面提供一個測量Vt減小量AVt 的示例性實施例，其中，該測量可與Idsat減小量A Idsat的測量在同一段時間內執(zhí)行。
在閾值以下(sub-threshold)范圍內，I-V曲線是基本線性的，在圖6中由直線示 出，其通過I-V掃描獲得。線10是應力前獲得的I-V曲線，線12是應力后獲得的。閾值以 下的擺幅ss可被定義為 ss = (Vgl-Vg2) / [logl。 (Id (Vgl)) -logl。 (Id (Vg2))] [公式1] 其中，電壓Vgl和Vg2是柵極電壓，電流Id (Vgl)和Id(Vg2)分別是對應于4 壓Vgl和Vg2的漏電流。 閾值電壓Vt可被定義為為了實現給定漏極電壓下預定的漏電流所需的^
f極電 AVt(t) = [log10(ld(0)/ld(t))]*ss[公式2] 其中，AVt(t)為時刻t處的閾值電壓減小量AVt，Id(O)為應力前測量的漏電流， Id(t)為應力時刻t處測量的漏電流。因此，通過使用公式1和公式2，可通過測量柵極電 壓等于-0.3V時刻t處的漏電流來獲得閾值電壓減小量AVt。因此，可以在不恢復I-V掃 描的情況下測量I-V電壓減小量A Vt。 圖7示出了本發(fā)明的實施例所獲得的結果，其中Idsat減小量AIdsat和Idlin減 小量AIdlin被顯示為應力時間的函數。實心點表示AIdsat的結果，空心點表示AIdlin 的結果。獲得這些結果的相應閾值電壓也在圖7中被標注。從圖7中可觀察出幾個事實。 首先，對于每個柵極電壓，相應的AIdlin擬合線(fit-line)總是比Aldsat擬合線高。這 個觀察結果與AIdlin值總是比AIdsat值大的實際情況一致。其次，不論柵極電壓的值 是多少，A Idsat值和A Idlin值的斜率(n)總是很接近的，范圍在約0. 120到約0. 130之 間。 圖8示出了作為應力時間函數的閾值電壓減小量AVt。應注意到，斜率(n)是約
0. 146，比使用傳統(tǒng)方案測量的斜率更接近于A Idsat和A Idlin的斜率。 本發(fā)明的實施例具有一些優(yōu)勢。首先，通過一次僅測量一個參數，以及因此縮短了
測量時間，使得恢復效應被極大地減小了，并且測量的減小量結果更加準確。其次，由于對
于不同的參數，恢復的程度保持相同，使得不同參數之間的相關性通過測量結果反應得更
準確了。因此，可以建立一個更準確的SPICE衰減模型。 盡管已經詳細地描述了本發(fā)明及其優(yōu)勢，但應該理解，可以在不背離所附權利要 求限定的本發(fā)明主旨和范圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請的范 圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機器、制造、材料組成、裝置、方法和步驟的特定實施 例。作為本領域普通技術人員應理解，通過本發(fā)明的公開，現有的或今后開發(fā)的執(zhí)行與根據 本發(fā)明所采用的所述相應實施例基本相同的功能或獲得基本相同結果的工藝、機器、制造， 材料組成、裝置、方法或步驟可以被使用。因此，所附權利要求應該包括在這樣的工藝、機 器、制造，材料組成、裝置、方法或步驟的范圍內。
權利要求
一種執(zhí)行偏置溫度不穩(wěn)定性測試的方法，所述方法包括設置器件；在所述器件上執(zhí)行第一應力；所述第一應力后，執(zhí)行第一測量來確定所述器件的第一參數；所述第一測量后，在所述器件上執(zhí)行第二應力，其中所述第一應力和所述第二應力之間僅測量所述第一參數；以及所述第二應力后，執(zhí)行第二測量來確定所述器件的第二參數，其中所述第二參數與所述第一參數不同。
2. 根據權利要求1所述的方法，還包括所述第二測量后，在所述器件上執(zhí)行第三應力，其中所述第二應力和所述第三應力之 間僅測量第二參數。
3. 根據權利要求2所述的方法，還包括所述第三應力后，在所述器件上執(zhí)行第三測量，其中所述第三測量被執(zhí)行來確定從基 本由所述第一參數和與所述第一參數及所述第二參數不同的第三參數構成的組選取的一 個參數，其中，所述第三測量被執(zhí)行來確定所述第三參數，其中所述方法還包括所述第三測量 后，執(zhí)行第四應力，其中在所述第三應力和所述第四應力之間僅測量所述第三參數。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一測量和所述第二測量占用基本相同的 時間段，以及其中，貫穿整個所述偏置溫度不穩(wěn)定性測試期間，任意兩個連續(xù)的應力之間測量不多 于一個的參數。
5. 根據權利要求1所述的方法，還包括重復從所述執(zhí)行第一應力的步驟到所述執(zhí)行第 二測量的步驟。
6. 根據權利要求1所述的方法，還包括 所述執(zhí)行第一應力的步驟前，執(zhí)行第一 I-V掃描；最后一次應力后，等待一段時間，在所述一段時間內不執(zhí)行應力；以及執(zhí)行第二 i-v掃描。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一參數和所述第二參數選自基本由飽和電流減小量、線性電流減小量和閾值電壓減小量構成的組。
8. —種執(zhí)行偏置溫度不穩(wěn)定性測試的方法，所述方法包括 設置器件；在所述器件上執(zhí)行第一應力；所述第一應力后，執(zhí)行第一測量來確定所述器件的第一參數，其中所述第一參數選自 基本由飽和電流減小量、線性電流減小量和閾值電壓減小量構成的組； 所述第一測量后，在所述器件上執(zhí)行第二應力；以及所述第二應力后，執(zhí)行第二測量來確定所述器件的第二參數，其中所述第二參數選自 所述組且與所述第一參數不同，其中貫穿整個所述偏置溫度不穩(wěn)定性測試，任意兩個連續(xù) 的應力之間測量不多于一個的參數。
9. 根據權利要求8所述的方法，還包括所述第二測量后，立即在所述器件上執(zhí)行第三應力；以及所述第三應力后，立即在所述器件上執(zhí)行第三測量，其中所述第三測量被執(zhí)行來確定 第一參數。
10. 根據權利要求8所述的方法，還包括 所述第二測量后，立即在所述器件上執(zhí)行第三應力；以及所述第三應力后，立即在所述器件上執(zhí)行第三測量，其中所述第三測量被執(zhí)行來確定 與所述第一參數和所述第二參數不同的第三參數，其中所述第三參數選自所述組， 其中，所述第一測量、所述第二測量和所述第三測量占用基本相同的時間長度。
11. 根據權利要求8所述的方法，還包括 所述執(zhí)行第一應力的步驟前，執(zhí)行第一 I-V掃描；最后一次應力后，等待一段時間，在所述一段時間內不執(zhí)行應力；以及執(zhí)行第二 i-v掃描。
12. —種執(zhí)行偏置溫度不穩(wěn)定性測試的方法，所述方法包括 設置晶體管；在所述晶體管上執(zhí)行應力；在第一對連續(xù)的應力之間測量所述晶體管的飽和電流減小量； 在第二對連續(xù)的應力之間測量所述晶體管的線性電流減小量；以及在第三對連續(xù)的應力之間測量所述晶體管的閾值電壓減小量，其中所述第一對連續(xù)的 應力、所述第二對連續(xù)的應力和所述第三對連續(xù)的應力的任意一對之間，測量所述飽和電 流減小量、所述線性電流減小量和所述閾值電壓減小量中的不多于一個。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述測量所述飽和電流減小量的步驟包括 測量飽和電流；以及通過所述飽和電流確定所述飽和電流減小量，其中，所述第一對連續(xù)的應力之間的第一間隔、所述第二對連續(xù)的應力之間的第二間 隔、以及所述第三對連續(xù)的應力之間的第三間隔基本彼此相等。
14. 根據權利要求12所述的方法，還包括以循環(huán)的方式重復所述測量飽和電流減小量 的步驟、所述測量線性電流減小量的步驟和所述測量閾值電壓減小量的步驟。
15. 根據權利要求12所述的方法，還包括 對所述晶體管執(zhí)行第一 I-V掃描； 開始所述應力中的第一個；等待一段緩沖期，其中在所述一段緩沖期內，不執(zhí)行應力和測量；以及對所述晶體管執(zhí)行第二 i-v掃描，其中，在所述第一 i-v掃描和所述第二 I-V掃描之間的整個期間內，在任意兩個連續(xù)的 應力之間，測量所述飽和電流減小量、所述線性電流減小量和所述閾值電壓減小量中的不 多于一個。
全文摘要
一種在器件上執(zhí)行偏置溫度不穩(wěn)定性測試的方法包括在器件上執(zhí)行第一應力。第一應力后，執(zhí)行第一測量來確定器件的第一參數。第一測量后，在器件上執(zhí)行第二應力，其中第一應力和第二應力之間僅測量第一參數。該方法還包括在第二應力后執(zhí)行第二測量來確定器件的第二參數。第二參數與第一參數不同。
文檔編號G01R31/28GK101726701SQ20091020555
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權日2008年10月16日
發(fā)明者夏尼銳, 拉克仕·瑞恩, 施教仁, 王瑞 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司