一种预测半导体器件NBTI寿命及其涨落的方法

摘要

一种预测半导体器件NBTI寿命及其涨落的方法，仅用一个半导体器件即可预测出其最好寿命、最坏寿命和平均寿命。测试时间大大缩短，可以实现快速测量；另外，由于仅用一个半导体器件，避免了传统方法中DDV的影响，同时可以研究寿命在半导体器件之间的涨落；另外，本发明提出了最好寿命、最坏寿命和平均寿命，也即考虑了CCV的影响；最后，静态涨落的影响也可以考虑进来，进而可以全面的评价半导体器件性能的涨落。

主权项

一种预测半导体器件NBTI寿命的方法，其特征是，将半导体器件的源端偏置VS与衬底偏置VB始终处于零偏置，执行如下测试步骤：第一步，首先，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，因此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：${\mathrm{\Delta V}}_{th}=\frac{I_{D0}-I_D}{I_{D0}}(V_{Gmeasure}-V_{th0})---\left(1\right)$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，用最坏寿命、最好寿命和平均寿命三个量来评价半导体器件的寿命，分别对应于最大、最小和平均的阈值电压退化：t时刻最大的阈值电压退化Max(t)定义为从0到t时刻最大的ΔV_th；t时刻最小的阈值电压退化Min(t)定义为从应力结束时刻到t时刻最小的ΔV_th；此时，Max(t)和Min(t)随应力时间t的关系为台阶式增加；按照这种方法，取出N次测试结果的Max(t)和Min(t)；第四步，从Max(t)和Min(t)的每一个台阶中间位置分别取一个点构成两组数据，分别记为Top和Bottom，所述点构成的数据包括对应的ΔV_th值和应力时间；每个台阶Max(t)和Min(t)的均值和台阶对应的应力时间的均值，构成一组数据记为Middle；Top、Bottom和Middle保存的数据称为阈值电压退化量基准数据；将N次测试结果都按照这种方法来取数据；第五步，由于NBTI应力下阈值电压的退化满足，${\mathrm{\Delta V}}_{th}={\mathrm{AV}}_{Gstress}^m{t}^n---\left(2\right)$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Top、Middle和Bottom中V_{Gstress_1}下的阈值电压退化量基准数据，根据公式(2)分别进行幂函数拟合，得到对应的n值和第六步，将第2次至第N次应力下得到的阈值电压退化量基准数据Top、Middle和Bottom等效地转换到V_{Gstress_1}下的阈值电压退化，如公式(3)所示，即可以把第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，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；对应的转换后的应力时间为：$\begin{array}{c}{t}_{eff\_1}(2\to 1)=K^{(2-1)·\frac{m}{n}}·t_{0\_1}\\ ·\\ ·\\ ·\\ t_{eff\_i}(2\to 1)=K^{(2-1)·\frac{m}{n}}·t_{0\_i}\\ ·\\ ·\\ ·\\ t_{eff\_1}(N\to 1)=K^{(N-1)·\frac{m}{n}}·t_{0\_1}\\ ·\\ ·\\ ·\\ t_{eff\_i}(N\to 1)=K^{(N-1)·\frac{m}{n}}·t_{0\_i}\end{array}---\left(4\right)$因此在转换后，第j次应力第i个测试循环对应的总的应力时间t_ji为$t_{ji}=\Delta t+\underset{p=2}{\overset{j}{\Sigma }}\underset{q=1}{\overset{C}{\Sigma }}{t}_{eff\_q}(p\to 1)---\left(5\right)$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；第七步，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；由第五步得到的计算出A值；第八步，按照第七步得出的m值和A值及第五步得出的n值，得出半导体器件在任意栅电压V_G下的寿命为$Lifetime=\sqrt[n]{\frac{{\mathrm{\Delta V}}_{th\_criterion}}{{\mathrm{AV}}_G^m}}---\left(8\right)$其中V_G为栅电压，ΔV_{th_criterion}为寿命的评定标准；把Bottom中的数据按照第六步到第八步所述的方法得出的寿命便是最好寿命，同理用Top和Middle中的数据得到最坏寿命和平均寿命。