专利名称：电介质层的预灾变、应力诱导漏电流情况的检测的制作方法
技术领域：
在电子设备中，集成电路(又称1C、芯片或微芯片)是典型地由半导体器件和/或无源部件构成的小型电子电路。集成电路被用在当今使用的几乎所有电子设备中并且彻底改变了电子世界。集成电路的低成本生产使得计算机、蜂窝电话和其他数字家电作为现代社会不可分割的一部分成为可能。
背景技术：
由于IC上的半导体器件的特征尺寸(feature size)小，所以在制造过程期间保持极其严格公差(tight tolerance)是关键性的。例如，采取大的长度以确保电介质层，诸如晶体管中的栅极氧化物或片上电容器的板(plate，极板)之间的电介质，具有均匀的厚度和导电率。这些电介质层中的缺陷和瑕疵可导致器件不能像计划的那样在预定工作范围上工作，或者甚至可导致器件故障。例如，弱污点、局部污染、多余残留、等离子增强处理步骤导致的预损伤等等会不利地影响电介质层并最终降低器件的寿命。在保持电介质层(特别是栅极氧化物)均匀的尝试中，在传统制造工艺中在各个点处执行高电压测试。这些测试的目的是通过异常器件操作或器件故障来识别任何电介质层缺陷。如果发现电介质缺陷，工程师就研究制造工艺以识别该缺陷的根本原因，所以可尽快地进行补救。然而，令人遗憾的是，即使不是不可能，但直到现在对有缺陷的电介质的直接物理故障分析还是困难的，因为传统的高电压测试通过破坏电介质层的物理结构而导致器件故障。例如，在很多情况下高电压测试导致器件上电流热散逸(thermal runaway),其熔化了电介质和其他附近区域。因此，直到现在，对有缺陷的器件及其电介质(例如，识别化学污染或微裂纹的存在)进行物理分析还是困难的或不可能的，因为由于灾变性故障，原器件结构被改变了。

发明内容
根据本发明的一个实施方式，提供了一种方法，包括将偏压施加到被测器件以从被测器件生成应力诱导漏电流(SILC);分析SILC以识别预灾变SILC情况，在预灾变SILC情况之后预期被测器件的电介质灾难性地故障；在预灾变SILC情况已被识别之后移除偏压以防止电介质的灾变性故障。根据本发明的另一实施方式，提供了一种方法，包括将偏压施加到包含电介质层的被测器件，以通过电介质层生成应力诱导漏电流(SILC);识别SILC的基数电平；在基数电平已被识别之后确定SILC的增加量；以及将SILC的增加量与预定阈值进行比较以识别预灾变SILC情况。根据本发明的再一实施方式，提供了一种测试设备，包括电流至电压转换器，耦接至被测器件，其中被测器件包括电介质层；处理器，耦接至该电流至电压转换器；以及存储器，存储处理器要执行的操作指令从而引起电流至电压转换器的操作变化，其中，存储在存储器中的指令是可操作的以使电流至电压转换器将偏压施加到被测器件而从被测器件生成应カ诱导漏电流(SILC)，并且分析SILC以识别预灾变SILC情況，在该情况之后预计被测器件的电介质灾难性地故障。


图I是描绘了根据ー些实施方式的方法的流程图。图2是示出了根据ー些实施方式的测试设备的框图。
图3A至图3B示出了能够置于图2的测试设备的测试下的示例性器件；图4是示出随时间的一系列应カ诱导漏电流的波形图；图5是示出随时间的一系列应カ诱导漏电流的另ー个波形图，并且其呈现出预灾变、应カ诱导漏电流情况。图6是描绘了根据ー些实施方式的方法的流程图。
具体实施例方式现在參照附图描述所要求的主题，附图中相同的參考标号通篇用于指示相同的元件。在下面的描述中，为了说明，阐述了许多具体细节以提供对所要求主题的透彻理解。然而，在没有这些具体细节的情况下显然也可实现所要求的主題。本文公开的技术施加应カ于电介质层，直到检测出预灾变、应カ诱导漏电流(SILC)情況。当检测到预灾变SILC情况时，应カ被移除以防止电介质和其关联器件的灾变性故障。因为这些技术防止电介质层的灾变性故障，所以工程师可以进行器件的物理故障分析，现在该器件由于预灾变SILC情况的检测而知晓具有某种类型的缺陷。这样，本文公开的技术允许工程师更快地确定缺陷的根本原因，使得产量可以保持在最佳水平。图I示出了根据这些技术的ー个方法100。在102处，被测器件被偏压以从其生成应カ诱导漏电流(SILC, stress induced leakage current)。在 104 处,分析 SILC 以识别预灾变SILC情况，在该情况之后预计被测器件的电介质灾难性地故障。在106处，在识别出预灾变SILC情况之后，偏压被移除以防止电介质的灾变性故障。在108处，在偏压已被移除之后，可以分析(例如，通过使用光发射显微镜或扫描电子显微镜)被测器件以确定导致预灾变情况的缺陷。与用于识别电介质缺陷的、对器件有害的传统高压测试方法相比，该方法100恰恰正是在电介质故障之前从被测器件移除偏压，从而方法100允许器件自身的后续物理评估来帮助查明迫近的电介质故障的原因。例如，物理故障分析方法可以用于直接在器件中识别电介质的薄区、电介质中或电介质上的化学污染、破裂的原子键联、边缘残留等等。图2示出根据ー些实施方式的测试设备200。测试设备200适用于将电压偏压施カロ到被测器件202 (例如，晶体管或电容器)，从而提供来自被测器件202的应カ诱导漏电流(SILC)。然后，测试设备200针对预灾变情况来监控SILC，并且当检测到预灾变情况时移除偏压。在该示例中，测试设备200包括对数型电流至电压转换器204以及在计算机208的PCI槽中操作的模数转换器206。用于运算放大器210的偏压电压或參考输入电压可以被提供到插入PCI槽的数模转换器212。为了有助于确保达到对于被测器件202的恰当电压偏压和电流情况，计算机208包括处理器214和存储器216，其中存储器216存储计算机可执行指令218以施加期望的偏压并且恰当地对测量的应力诱导漏电流做出反应。二极管对220可以被设置在测试设备200的反馈后部222以实现电流至电压转换器电路204的对数特性。图3A至图3B示出了可以被包括作为被测器件的两个示例器件(例如，图2中的被测器件202)。图3A描绘了半导体基片302上形成的晶体管300。源区304、漏区306、以及阱区308可以形成在半导体基片302中。例如，虽然在一些实施方式中基片302是P型硅基片(例如，P-)，阱区308是η型材料(例如，N+)，以及源极和漏区304、306是P型材料(例如，P++)，但是这些掺杂规定也可以反转。通常由金属或多晶硅制成的栅电极310形成在半导体基片302中或基片上。例 如，厚度可大于5纳米(nm)的栅极氧化物312被设置在半导体基片302和栅极电极310之间。为了测试栅极氧化物312的缺陷，测试设备(例如，图2的200)通过将第一电压Vl施加到栅电极310并将第二电压V2施加到基片302、源极304、漏极306、阱308来在栅极氧化物上施加偏压。依据实现方式，偏压电压可以是恒定电压或斜坡电压(ramped voltage)。通常,第一电压Vl大于晶体管的阈值电压,从而从栅极电极310下方的沟道区314释放带电的载流子。这些载流子可以从基片302通过栅极氧化物312隧穿(tunnel)或“泄漏”至栅极电极310中(或反方向)，导致应力诱导栅极漏电流。如将在本文更详细地意识到，可以对该应力诱导栅极漏电流进行评估以识别栅极电介质的预灾变故障电流情况。图3B描述了也可以被包括作为图2中被测器件的电容器350。电容器350包括第一和第二导电板352、354，两板之间设置有电介质356。在一些实施方式中，电介质356的厚度大于5nm。在图3B的实施方式中，第一板352米取多晶娃或金属层的形式,而第二板354采取半导体基片的形式。然而，在其他实施方式中，电容器可以具有在上金属层中形成的至少一个板(如果不是两个板均在上金属层中的话)。例如，电容器可以由多晶硅层和上金属层形成或者形成在两个上金属层之间。将认识到，根据本公开的电容器也可以包括多个(例如，3个以上)导电层。为了测试电容器电介质(例如，356)的缺陷，测试设备(例如，图2的200)通过施加第一电压到第一板并施加第二电压到第二板而在电介质上施加偏压。依据实现方式，偏压电压可以是恒定电压或斜坡电压。载流子可以通过电介质从一个板隧穿或“泄漏”到另一个板，导致在电容器电介质上流过的应力诱导栅极漏电流。如将在本文更加详细地认识到，该应力诱导漏电流可以被评估以识别电介质的预灾变故障电流情况。现在转到图4，可以看到一系列的波形402a至402i，其示出了对于具有栅极氧化物厚度约为15nm的η型晶体管器件的、作为时间函数的应力诱导栅极漏电流。波形总体上示出了 85°C时在从19. OV至21. OV以O. 25V递增的各个电压处的、来自晶体管的应力诱导栅极漏电流如何在时间中变化。例如，曲线402a表示连续施加恒定19. OV栅极电压时的应力诱导泄漏栅极电流，曲线402i表示连续施加恒定21. OV栅极电压时的应力诱导泄漏栅极电流。在第一时段406期间，SILC以第一速率增大，在该时段之后SILC经过转折点408跃迁(transition，转变)，之后在第二时段410期间以第二速率减小。此后不久，在时段410期间该SILC减小，SILC电流示出了突然尖峰(sudden spike)(例如，在412处)。该突然电流尖峰(如果遇到)可以对应于栅极氧化物电介质的灾变性故障或击穿，导致电介质及其附近区域的熔化和再結晶。如前所述，在恰好这种灾变性故障发生之前避免该故障是有益的，使得通过物理分析技术可以分析根本的电介质缺陷。考虑到这点，图5示出了图4波形的更多细节。注意，图5中的时间以击穿(BD)之前的时间表示，而不是如图4中所示的经过时间,使得图5的最右部分示出了图4中不容易辨认的“放大的”时间标度。如所示，在经过了第二时段410(其中SILC减小)之后，SILC在第三时段414期间达到基数电平(base level)。在该示例中约为3nA的基数SILC电平由偏压晶体管的对数型电流至电压转换器的反馈环中的ニ极管(例如，图2中220)赋予。在时刻416处，在该示例中该时刻大约 是灾变性故障发生前大约10ms，SILC开始增大以指示预灾变情況。为了检测该预灾变情况，本文公开的技术可以将在该増大期间的SILC与预定阈值418进行比较。如果该增大期间的SILC大于预定阈值418，则该方法确定正发生预灾变情况，从而在灾变性故障实际发生之前从被测器件移除偏压。将认识到图4至图5的波形仅仅是本公开所涵盖的波形的ー个示例。预灾变SILC电流状况被检测的其他波形可明显偏离所示的那些波形。例如，在其他实现方式中，来自被测器件的SILC可以在图5的基数电平414处立即开始，而不通过区域402和410。而且，在ー些方面，在416处预灾变电流情况之前，SILC可以被认作背景/參考漏电流(例如，414期间的Fowler Nordheim隧道效应)。这样,416处的预灾变SILC情况可以被认作位于有缺陷的电介质区域中的附加电流，其中预灾变SILC情况是附加到背景漏电流。图6示出了根据ー些实施方式的另一方法600。将认识到，尽管本文示出和描述的方法可以被表达为一系列动作或事件，但本公开不限于这些动作或事件的所示顺序。例如，一些动作可以按照不同顺序发生，和/或与本文所示和/或所描述之外的其他动作或事件同时发生。另外，不是所有示出的动作都是必需的。而且，可在ー个或多个单独的动作或阶段中执行本文描述的动作中的一个或更多。该方法在602处开始，偏压被施加到被测器件，诸如晶体管或电容器。偏压通过被测器件的电介质层生成应カ诱导漏电流(SILC)。在604处，该方法识别SILC的基数电平。例如，參见图4中基数电平414。在606处，在基数电平被识别之后该方法识别SILC的增加量。在608处，该方法将SILC的增加量与预定阈值进行比较以识别预灾变SILC情況。在610处，在预灾变SILC情况已被识别之后，偏压被移除以防止电介质层的灾变
性故障。在612处，在偏压被移除之后，可以分析被测器件的物理结构以识别导致预灾变情况的缺陷。例如，电子显微镜可以用于评估器件的物理结构以更好地识别缺陷。在缺陷已被发现之后，可以分析制造过程以隔离导致该缺陷的过程阶段，从而防止未来器件的缺陷。虽然关于ー个或多个实现方式已经示出并描述了本公开，但是基于该说明书和附图的阅读和理解，本领域技术人员会想到等同的修改和改动。本公开包括所有这种改动和修改并且仅由下述权利要求的范围限定。特别是关于由上述部件(例如，元件和/或资源)执行的各种功能，除非另外指示，否则用于描述这种部件的术语意在对应于执行所述部件的指定功能的任何部件(例如，即功能上等同)，即使结构上不等同于执行本申请在这里所示的示例实现方式中功能的公开结构。另外，尽管关于几个实现方式中的仅仅ー个已经公开了本公开的特定特性，这种功能可与期望的并且对于任何给定或特定应用有利的其他实现方式的一个或更多其他特性组合。另外，该说明书和所附权利要求中所用的冠词“一”应解释为指的是“一个或多个”。 而且，对于在详细描述或权利要求中术语“包括”、“具有”、“含有”、“带有”或其变形所用到的程度，这些术语旨在以 类似于术语“包含”的方式来包含。
权利要求
1.ー种方法，包括 将偏压施加到被测器件以从所述被测器件生成应カ诱导漏电流SILC ； 分析所述SILC以识别预灾变SILC情況，预计在所述预灾变SILC情况之后所述被测器件的电介质灾变性地故障； 在所述预灾变SILC情况已被识别之后移除所述偏压以防止所述电介质的灾变性故障。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，分析所述SILC以识别所述预灾变SILC情况包括 在所述预灾变SILC情况之前识别所述SILC的基数电平；以及 在所述基数电平已被识别之后识别所述SILC的増加量；以及 将所述SILC的所述增加量与预定阈值进行比较以识别所述预灾变SILC情況。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对数型电流至电压转换器将所述被测器件偏压，以及其中，所述基数电平由所述对数型电流至电压转换器的反馈环中的无源部件设定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述无源部件是ニ极管。
5.根据权利要求I所述的方法，进ー步包括 在所述偏压已被移除之后，分析所述被测器件以识别导致所述预灾变SILC情况的缺陷。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，分析所述被测器件包括使用光发射显微镜或扫描电子显微镜以分析所述器件的结构特性来确定所述预灾变SILC情况的起因。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，分析所述SILC以识别所述预灾变SILC情况包括 在所述SILC以第一速率増大的第一时段期间监控所述SILC ； 在所述第一时段之后的第二时段期间监控所述SILC，其中，所述SILC在所述第二时段期间以第二速率减小； 在所述第二时段之后的第三时段期间监控所述SILC，其中，所述SILC在所述第三时段期间处于基数电平； 在所述基数电平已被识别之后识别所述SILC的増加量；以及 将所述増加量与预定阈值进行比较以识别所述预灾变SILC情況。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，所述被测器件包括晶体管，所述晶体管包括 半导体基片； 栅电极，形成在所述半导体基片上或所述基片中； 其中，所述电介质是设置在所述半导体基片与所述栅电极之间的栅极氧化物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述栅极氧化物的厚度大于5纳米。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，偏压所述晶体管包括 跨所述栅电极和所述基片施加恒定电压偏压，以从所述晶体管生成应カ诱导栅极漏电流， 其中，所述恒定电压偏压大于所述晶体管的阈值电压。
11.根据权利要求I所述的方法，其中，所述被测器件包括电容器，所述电容器包括 第一导电板；以及第二导电板，与所述第一导电板电分离； 其中，所述电介质是设置在所述第一导电板和所述第二导电板之间的电介质。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电介质的厚度大于5纳米。
13.根据权利要求I所述的方法，其中，施加到所述被测器件的所述偏压是恒定电压偏压。
14.根据权利要求I所述的方法，其中，施加到所述被测器件的所述偏压是斜坡电压偏压。
15.—种方法,包括 将偏压施加到包含电介质层的被测器件，以通过所述电介质层生成应カ诱导漏电流SILC ； 识别所述SILC的基数电平； 在所述基数电平已被识别之后确定所述SILC的増加量；以及 将所述SILC的増加量与预定阈值进行比较以识别预灾变SILC情況。
16.根据权利要求15所述的方法，进ー步包括 在所述预灾变SILC情况已被识别之后移除所述偏压以防止所述电介质层的灾变性故障。
17.根据权利要求16所述的方法，进ー步包括 在所述偏压已被移除之后，分析所述被测器件的物理结构以识别导致所述预灾变情况的缺陷。
18.—种测试设备,包括 电流至电压转换器，耦接至被测器件，其中所述被测器件包括电介质层； 处理器，耦接至所述电流至电压转换器；以及 存储器，存储所述处理器要执行的操作指令从而引起所述电流至电压转换器的操作变化， 其中，存储在所述存储器中的所述指令可操作地使所述电流至电压转换器将偏压施加到所述被测器件来从所述被测器件生成应カ诱导漏电流SILC，并且分析所述SILC以识别预灾变SILC情況，预计在该情况之后所述被测器件的电介质灾变性地故障。
19.根据权利要求18所述的测试设备，其中，所述指令可操作地基于所述预灾变SILC情况是否已被识别来选择性地移除所述偏压，从而防止所述被测器件的灾变性故障。
20.根据权利要求18所述的测试设备，其中，所述指令进ー步可操作地 在所述预灾变SILC情况之前识别所述SILC的基数电平，以及 在所述基数电平已被识别之后识别所述SILC的増加量；以及 将所述SILC的所述增加量与预定阈值进行比较以识别所述预灾变SILC情況。
21.根据权利要求18所述的测试设备，其中，所述被测器件包括晶体管，所述晶体管包括 半导体基片； 栅极电极，形成在所述半导体基片中或所述基片上； 其中，所述电介质是设置在所述半导体基片与所述栅极电极之间的栅极氧化物。
22.根据权利要求18所述的测试设备，其中，所述被测器件包括电容器，所述电容器包括: 第一导电板；以及 第二导电板，与所述第一导电板电分离； 其中，所述电介质是设置在所述第一导电板与所述第二导电板之间的电介质。
全文摘要
本发明涉及电介质层的预灾变、应力诱导漏电流情况的检测。本发明公开的技术对电介质层施加应力直到检测到预灾变、应力诱导漏电流(SILC)情况。当检测到预灾变SILC情况时，应力被移除以防止电介质及其关联器件的灾变性故障。因为这些技术防止电介质层的灾变性故障，所以工程师可以进行器件的物理故障分析，现在由于预灾变SILC情况的检测而使器件已知具有某种类型的缺陷。这样，本发明公开的技术允许工程师更快地确定缺陷的根本原因，使得生产率可以保持在最佳水平。
文档编号G01R31/00GK102680873SQ20121005755
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月6日 优先权日2011年3月10日
发明者马丁·克贝尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司