一種在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法。
【背景技術】
[0002]隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)和特大規(guī)模集成電路(ULSI)的飛速發(fā)展，MOS器件的尺寸不斷地減小。為增加器件的反應速度、提高驅(qū)動電流與存儲電容的容量，器件中柵氧化層的厚度不斷地降低，由20?30nm降至幾個納米。然而，在器件尺寸等比例縮小的同時，工作電壓卻沒有相應地等比縮小，從而使薄柵氧化層中的電場強度增大，器件的擊穿電壓降低；另一方面，柵氧化層中存在缺陷、表面不均勻等，會出現(xiàn)局部電場集中，容易產(chǎn)生內(nèi)部放電而形成許多導電通道，同樣降低擊穿電壓。而漏電流的產(chǎn)生往往與柵氧化層中的帶電雜質(zhì)有關。在柵氧化層中存在正電荷的情況下，當柵氧化層厚度不均勻時，在較薄區(qū)域內(nèi)的局部電場很強，使得勢皇尖端的厚度變薄，在負柵電壓時即會產(chǎn)生隧道電流(電子從多晶硅或者金屬柵極流向半導體)，從而形成漏電流。柵氧化層的可靠性成為一個突出的問題和挑戰(zhàn)，柵氧化層抗電性能不好將引起MOS器件電參數(shù)的不穩(wěn)定，如閾值電壓的漂移，跨導下降、漏電流增加等，進一步可引起柵氧化層的擊穿，導致器件的失效，使整個集成電路陷入癱瘓狀態(tài)。因此，柵氧化層的完整性對于集成電路性能的提高有著至關重要的作用。隨著集成電路工藝的進步及尺寸的縮小，對于柵氧化層完整性(gate oxide integrity,簡稱G0I)的測試也逐漸成為一個重要的難題。柵氧化層完整性測試是驗證柵氧化層質(zhì)量的測試過程，目前通常使用斜坡電壓(Vramp)測試來對于半導體器件的柵氧化層完整性進行檢測。通過斜坡電壓測試可以反映被測半導體器件在斜坡電壓應力下的擊穿特性等，從而對檢測半導體器件的柵氧化層完整性起到參考作用，具體地，應用一個加在柵極的階梯升高的電壓直至柵氧化層擊穿，通過判斷柵氧化層擊穿電壓的大小來衡量缺陷類型，一般情況下分兩種失效模式:mode A和mode B，如圖1所示。結(jié)合測試面積推算缺陷密度是否達標，這樣的測試方法對測試結(jié)構(gòu)(testkey)設計有一定要求，比如業(yè)界標準JESD35以及JEP001A建議每次評估的樣品總面積需要達到1cm2，也可以按照公式(I)計算選擇的樣品數(shù):
[0003]N*ATEST〉_ln (1_0.95) /D0----(I)
[0004]其中，N是總樣品數(shù);ATEST是每個GOI測試結(jié)構(gòu)的面積；D C1是缺陷密度規(guī)格。
[0005]所以為了減少測試樣品數(shù)，測試結(jié)構(gòu)(testkey)設計就要求面積很大，導致量產(chǎn)品上無法放置測試結(jié)構(gòu)，使在線監(jiān)控量產(chǎn)品無法實施?，F(xiàn)在普遍的做法是將測試結(jié)構(gòu)放置在測試認證載體(TQV，technology qualificat1n vehicle)晶片上單獨生產(chǎn)，出廠后進行監(jiān)控，一方面浪費成本，另一方面Vramp測試所需時間也較長，如果發(fā)現(xiàn)異常結(jié)果再追溯到工藝問題，整個周期就很長，失去了監(jiān)控的時效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，可以對量產(chǎn)品上柵氧化層完整性進行實時測試，縮短測試時間，并能夠評估判斷缺陷密度是否達標，及時發(fā)現(xiàn)工藝可靠性問題。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，包括:
[0008]根據(jù)設定的采樣頻率以及缺陷密度規(guī)格，獲得用于監(jiān)控分析的最小采樣數(shù)量；
[0009]選取大于或等于所述最小采樣數(shù)量的量產(chǎn)品作為用于監(jiān)控分析的量產(chǎn)品樣本，所述量產(chǎn)品本的切割道上設置有GOI測試結(jié)構(gòu)；
[0010]按照所述采樣頻率從每個量產(chǎn)品樣本上選取GOI測試結(jié)構(gòu)，對每個GOI測試結(jié)構(gòu)施加預定失效模式的電壓，分別量測出每個GOI測試結(jié)構(gòu)在預定失效模式的電壓下的柵電流值；
[0011 ] 將量測出的所有柵電流值與電流標準比對，評估所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝是否存在柵氧化層完整性問題。
[0012]進一步的，依據(jù)公式獲得監(jiān)控分析的最小采樣數(shù)量，其中，N是采樣數(shù)量，Atest是每個GOI測試結(jié)構(gòu)的面積；D C1是缺陷密度規(guī)格，K為采樣頻率。
[0013]進一步的，預定失效模式的缺陷密度規(guī)格不同，根據(jù)設定的采樣頻率以及預定失效模式的缺陷密度規(guī)格，獲得用于監(jiān)控分析的預定失效模式的最小采樣數(shù)量。
[0014]進一步的，所述采樣頻率為WAT測試的采樣頻率。
[0015]進一步的，所述預定失效模式為一種或多種。
[0016]進一步的，對每個GOI測試結(jié)構(gòu)施加預定失效模式的電壓后，經(jīng)過預設時間穩(wěn)定后，再量測出每個GOI測試結(jié)構(gòu)在所述電壓下的柵電流值。
[0017]進一步的，評估所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝是否存在柵氧化層完整性問題，包括:
[0018]將量測出的所有柵電流值與電流標準比對，確定量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量；
[0019]若量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量小于或等于目標失效數(shù)量，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝不存在柵氧化層完整性問題，繼續(xù)按照所述當前工藝的參數(shù)設置進行量產(chǎn)品生產(chǎn)；
[0020]若量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量大于目標失效數(shù)量，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝存在柵氧化層完整性問題，調(diào)整并改善所述當前工藝的參數(shù)設置后繼續(xù)進行量產(chǎn)品生產(chǎn)。
[0021]進一步的，評估所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝是否存在柵氧化層完整性問題，包括:
[0022]將量測出的所有柵電流值與電流標準比對，確定量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量；
[0023]根據(jù)量產(chǎn)品樣本中的失效數(shù)量，獲得量產(chǎn)品樣本的缺陷密度；
[0024]將量產(chǎn)品樣本的缺陷密度與所述缺陷密度規(guī)格進行比較；
[0025]若量產(chǎn)品樣本的缺陷密度小于或等于所述缺陷密度規(guī)格，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝不存在柵氧化層完整性問題，繼續(xù)按照所述當前工藝的參數(shù)設置進行量產(chǎn)品生產(chǎn)；
[0026]若量產(chǎn)品樣本的缺陷密度大于所述缺陷密度規(guī)格，，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝存在柵氧化層完整性問題，調(diào)整并改善所述當前工藝的參數(shù)設置后繼續(xù)進行量產(chǎn)品生產(chǎn)。
[0027]進一步的，評估所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝是否存在柵氧化層完整性問題，包括:
[0028]將量測出的所有柵電流值與電流標準比對，確定量產(chǎn)品樣本中的失效樣本的失效模式以及各失效模式下的失效數(shù)量；
[0029]根據(jù)各失效模式下的失效數(shù)量，分別獲得量產(chǎn)品樣本在各失效模式下的實際缺陷密度；
[0030]對將各失效模式下的實際缺陷密度與所述失效模式下的缺陷密度規(guī)格進行比較；
[0031]若所述實際缺陷密度小于或等于所述缺陷密度規(guī)格，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝不存在柵氧化層完整性問題，繼續(xù)按照所述當前工藝的參數(shù)設置進行量產(chǎn)品生產(chǎn)；
[0032]若所述實際缺陷密度大于所述缺陷密度規(guī)格，則確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝存在柵氧化層完整性問題，調(diào)整并改善所述當前工藝的參數(shù)設置后繼續(xù)進行量產(chǎn)品生產(chǎn)。
[0033]進一步的，根據(jù)一定的監(jiān)控分析頻率來執(zhí)行所述在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，并在確定所述量產(chǎn)品樣本所在的當前工藝存在柵氧化層完整性問題后，增加監(jiān)控分析頻率來執(zhí)行所述在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法。
[0034]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提出的在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法，首先，不同于現(xiàn)有技術中的放置在單獨生產(chǎn)的測試認證載體晶片上的大面積測試結(jié)構(gòu)的方式，既不需犧牲量產(chǎn)品上的器件區(qū)面積，也不需要額外投片用于工藝產(chǎn)品監(jiān)控，可以直接利用量產(chǎn)品切割道面積形成合適的測試結(jié)構(gòu)來完成測試，大大節(jié)省了成本；其次，由于測試中每顆樣品僅測試預定失效模式下的單點電流值，測試速度很快，對量產(chǎn)品的排隊等候時間不會造成影響，大大縮短測試所需時間；針對一段時間內(nèi)量產(chǎn)品上的數(shù)據(jù)收集，可以準確判斷某一區(qū)間內(nèi)柵氧缺陷的問題，實現(xiàn)了監(jiān)控的時效性。
【附圖說明】
[0035]圖1是傳統(tǒng)的Vramp測試中的柵氧化層擊穿電壓威爾布welbull分布圖；
[0036]圖2是傳統(tǒng)的Vramp測試中柵氧化層擊穿特性的I_V特性曲線；
[0037]圖3是本發(fā)明具體實施例的在線監(jiān)控柵氧化層完整性的方法流程圖；
[0038]圖4是本發(fā)明具體實施例量測到的預定失效模式電壓下柵電流分布圖。
【具體實施方式】
[0039]本發(fā)明的柵氧化層完整性測試原理如下:
[0040]常規(guī)的Vramp測試，階梯電壓是線性增加直至樣品擊穿，如圖2所示，每顆樣品擊穿特性的1-V曲線中表示出了不同電壓下對應的柵電流，如果在量產(chǎn)品上增加這樣的測試，量產(chǎn)品上每個測試點(lot)測試時間大致增加4個小時，考慮到產(chǎn)能和排隊等候時間Q-time問題，這種常規(guī)的Vram