(57)【要約】【課題】インライン特性化のための装置を提供する。【解決手段】当該装置は、第１の電圧および第２の電圧が順次印加される、熱的に分離された被試験デバイスと、第１の電圧および第２の電圧が順次印加されている間に、第１の温度および第２の温度をそれぞれ実質的に同時に、被試験デバイスに与える局部加熱素子と、被試験デバイスの温度を測定する温度感知ユニットとを含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
第１の電圧および第２の電圧が順次印加される、熱的に分離された被試験デバイスと、
前記第１の電圧および前記第２の電圧が順次印加される間に、第１の温度および第２の温度をそれぞれ実質的に同時に、前記被試験デバイスに与える局部加熱素子と、
前記被試験デバイスの前記温度を測定する温度感知ユニットと
を備える、装置。
【請求項２】
前記被試験デバイスを取り囲むとともに、前記被試験デバイスに熱的分離を提供する断熱トレンチをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記断熱トレンチ内に配置される基準デバイスをさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記断熱トレンチの外部に配置される基準デバイスをさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記被試験デバイスおよび前記基準デバイスは並列に、差動増幅器に接続される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記断熱トレンチはシリコン酸化物を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記断熱トレンチは空隙を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記局部加熱素子は抵抗素子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記温度感知ユニットはダイオード素子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記温度感知ユニットは抵抗素子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
特性は、前記被試験デバイスのドレイン電流、抵抗および駆動電流のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
初期の時間の間に前記第１の電圧が印加され、ストレス時間の間に前記第２の電圧が印加され、試験時間の間に前記第１の電圧が印加され、
前記初期の時間の間に前記第１の温度が与えられ、前記ストレス時間の間に前記第２の温度が与えられ、前記試験時間の間に第３の温度が与えられる、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
初期の時間の間に前記第１の電圧が印加され、次いでストレス／試験時間中に前記第２の電圧および第１の電圧が順次印加され、
前記初期の時間および前記ストレス／試験時間中に前記第２の温度が与えられ、前記第１の電圧が最後に印加されるのと実質的に同時に、前記第１の温度が与えられる、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の電圧が断続的に印加され、
前記第１の電圧が印加されている間に前記第１の温度が与えられ、電圧が印加されていない間に前記第２の温度が与えられる、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の電圧が連続的に印加され、
初期の時間の間に前記第１の温度が与えられ、徐々に温度が上昇してから、試験時間中に前記第２の温度が与えられ、実質的にその直後に前記第１の温度が与えられる、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
装置であって、
第１の電圧および第２の電圧が順次印加される、熱的に分離された被試験デバイスと、
順次印加されている前記第１の電圧および前記第２の電圧とは無関係に、第１の温度および第２の温度を前記被試験デバイスに与える局部加熱素子と、
前記被試験デバイスの特性を測定するセンサと
を備える、装置。
【請求項１７】
被試験デバイスのインライン試験を実行する方法であって、
前記被試験デバイスを熱的に分離することと、
前記被試験デバイスが熱的に分離された状態で、前記被試験デバイスに第１の電圧および第２の電圧を印加することと、
前記電圧の前記印加の間に、前記電圧の前記印加とは無関係に、第１の温度および第２の温度を前記被試験デバイスに与えることと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記被試験デバイスの特性を測定することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
基準デバイスの特性を測定することと、
前記被試験デバイスの前記測定の結果を、前記基準デバイスの前記特性の前記測定の結果と比較することと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記被試験デバイスの前記測定の前記結果と、前記基準デバイスの前記特性の前記測定の前記結果との間の差分を増幅することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年９月２１日付けで米国特許商標庁に出願された「ＩＮ−ＬＩＮＥ  ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ（インライン特性化）」と題する米国特許出願第１２／５６３，４３７号の優先権の利益を主張し、当該出願の内容は参照によりその全体が本明細書に援用される。
【０００２】
本発明の諸態様は、温度プロファイリングによるインライン特性化に関する。
【背景技術】
【０００３】
信頼できるインライン特性化は、新たな技術の開発において、また製品製造においてますます重要になってきている。この少なくとも１つの理由は、特定の信頼性劣化メカニズムが、採用されるべき製造工程および当該工程に使用される材料の選択の影響を比較的受けやすいことである。バイアス温度不安定性（ｂｉａｓ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ、ＢＴＩ）をもたらす劣化メカニズムがこれらの例であり、少なくとも最新の集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ、ＩＣ）技術における主要な信頼性の懸案事項である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、試験条件に置かれるデバイスは、加えられたストレスから、試験の開始時のような、ストレスがもはや加えられていない或る時点の後に比較的急速に回復する（すなわち、高速回復）傾向にあるため、正確なインラインＢＴＩ試験は一般的には可能ではない。この、デバイスが急速に回復する傾向は、高いストレス温度に特有の懸案事項である。これらの事例において、ｐチャネル金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ｐ−ｃｈａｎｎｅｌ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ‐ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＰＭＯＳＦＥＴ）における負バイアス温度不安定性（ｎｅｇａｔｉｖｅ−ｂｉａｓ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ、ＮＢＴＩ）は通常、２つの劣化メカニズムから成り、それはたとえば、チャネル（Ｓｉ）とゲート誘電体（ＳｉＯ２など）との間の界面準位生成を含む。界面準位生成は、デバイスおよび回路の性能を劣化させる熱活性化過程である。
【０００５】
界面準位生成に起因するＮＢＴＩシフトは、デバイス試験中にストレス・バイアスがとり除かれた後に急速に回復することが観察されている。回復が起こる前の実際の劣化を捕捉するためには、特別な高速機器が必要とされる。このような機器の使用は、製造環境では一般的に実際的ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、装置が提供され、当該装置は、第１の電圧および第２の電圧が順次印加される、熱的に分離された被試験デバイスと、第１の電圧および第２の電圧が順次印加されている間に、第１の温度および第２の温度をそれぞれ実質的に同時に、被試験デバイスに与える局部加熱素子と、被試験デバイスの温度を測定する温度感知ユニットとを含む。
【０００７】
本発明の一態様によれば、装置が提供され、当該装置は、第１の電圧および第２の電圧が順次印加される、熱的に分離された被試験デバイスと、順次印加されている第１の電圧および第２の電圧とは無関係に、第１の温度および第２の温度を被試験デバイスに与える局部加熱素子と、被試験デバイスの特性を測定するセンサとを含む。
【０００８】
本発明の一態様によれば、被試験デバイスのインライン試験を実行する方法が提供され、当該方法は、被試験デバイスを熱的に分離することと、被試験デバイスが熱的に分離された状態で、被試験デバイスに第１の電圧および第２の電圧を印加することと、電圧を印加している間に、当該電圧の印加とは無関係に、第１の温度および第２の温度を被試験デバイスに与えることとを含む。
【０００９】
添付の特許請求の範囲において、本発明とみなされる主題が特に指摘され、明示的に特許請求される。本発明の上記および他の態様、特徴及び利点は、添付の図面とともに考慮される以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による試験手順の図である。
【図２】本発明の別の実施形態による試験手順の図である。
【図３】本発明の別の実施形態による試験手順の図である。
【図４】本発明の別の実施形態による試験手順の図である。
【図５】本発明の別の実施形態による試験手順の図である。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは、被試験デバイスの構造の概略図である。
【図７】図６Ａおよび図６Ｂの構造のインライン試験を実行する方法を説明する流れ図である。
【図８】被試験デバイスの構造の概略図である。
【図９】図８の構造のインライン試験を実行する方法を説明する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
被試験デバイス（ｄｅｖｉｃｅ  ｕｎｄｅｒ  ｔｅｓｔ、ＤＵＴ）のストレス条件と試験条件との間で温度を高速で切り替えると、ストレス条件の間はインライン監視されるＤＵＴの劣化メカニズムが加速され、そして試験条件の間は回復を回避するために劣化が「凍結される」、すなわち中断する。したがって、シフトを加速するために高温でＤＵＴのバイアス温度不安定性（ＢＴＩ）ストレスの試験を実行することができ、一方で、大幅な回復が起こる前に実際のＢＴＩによって誘起されるシフトを捕捉するためにより低い温度でその後の試験を実施することができる。これを達成するための手順および構造によって、インライン試験中に簡便かつ高速の温度変更が可能となり、それによって、温度依存性デバイス特性の全般的な特性化を実施することができる。
【００１２】
通常、ＤＵＴのインラインＢＴＩメカニズムの試験は、一例として、ＤＵＴがストレス条件に置かれるチャックのチャック温度を上昇させること、および、そのストレス条件においてチャック温度を保持することを含む。チャック温度は一般的に、ＤＵＴの劣化を加速するために約８５℃以上である。チャック温度が安定化した後、これは一般的に約３０分を要するが、ＤＵＴは或る時間期間の間、ストレス点においてバイアスをかけられ、この期間は一般的には約１０秒以上である。このバイアスをかけることはＤＵＴに対するストレス電圧の印加と呼ばれる場合がある。ストレス期間の後、電圧は低下し、第１の試験データが採取される前の試験時点において安定化する。これは約１秒以内に行われ得る。
【００１３】
実行されるべき一連の試験は、各ノードにおける様々なバイアス条件下でのいくつかのドレイン電流対ゲート電圧曲線を含む場合があり、試験系列全体は通常、デバイス・パラメータにおける、ＢＴＩによって誘起されるシフトを完全に特性化するために、数秒以上を要する。いずれにせよ、チャック温度は試験系列中においてさえも、高いストレス温度のままである。したがって、結果は回復したデバイスのものを表すのみであり、ＤＵＴの実際の劣化を反映しない。一例において、試験におけるわずか１秒の遅延の後で約５０％の回復があり得る。
【００１４】
図１を参照すると、新規の試験手順が提供される。ここで、チャック温度は室温もしくは略室温またはさらに低く維持され、一方で、ＤＵＴに近接または隣接して配置される埋め込みオンチップ局部加熱素子によって高いストレス温度が達成される。局部加熱器は、ドーピングされたポリシリコン・ストリップ、拡散抵抗器、または配線工程（ｂａｃｋ−ｅｎｄ−ｏｆ−ｌｉｎｅ、ＢＥＯＬ）ＴａＮ抵抗器のような抵抗素子から形成されることができ、１００℃を超える局部加熱を提供することができる。局部加熱の度合いは局部加熱素子に加えられる電力の関数であり得、これは、様々なストレス条件および試験条件に合わせて広範囲の温度を達成するように供給電力を調整することによって変えることができる。局部加熱器を用いて指定の温度に到達するために必要とされる時間はミリ秒（ｍｓｅｃ）オーダーである。したがって、局部加熱は実質的に、局部加熱器がオフになった直後になくすことができるため、ストレス条件に続くインライン試験条件は、時間および温度の両方において比較的高い分解能で実行することができる。これはまた、緩和が起こるまえに正確な結果が達成されることも可能にする。
【００１５】
特に、図１に示されるように、局部加熱器は、ＤＵＴを局部ストレス温度Ｔｌｏｃａｌ＿ｓｔｒｅｓｓまで加熱し、一方で、ストレス条件時間中にＤＵＴに電圧Ｖｓｔｒｅｓｓが印加される。試験条件の開始時に、局部加熱器はオフにされ、局部温度はただちにチャック温度Ｔｌｏｃａｌ＿ｔｅｓｔに戻り、一方で印加される電圧はＶｔｅｓｔまで低下する。この時点において、ＤＵＴの劣化測定が、たとえばＤＵＴを通るドレイン電流の変化ΔＩｄの測定によって開始する。
【００１６】
局部温度制御は電圧／電流バイアスとは無関係であり得るため、広範な温度／バイアスのストレス条件および試験条件を実施することができる。たとえば、図２は、ストレス手順のまえに追加された新たなデバイスにおいて比較的低い温度Ｔ０の試験を用いた別のストレス／試験系列を示す。図２の系列において、図１のものと同様の手順に先行して、局部温度がＴｃｈｕｃｋであり、印加される電圧がＶｔｅｓｔであるＴ０の間に初期条件がある。
【００１７】
図３に示されるように、比較的高温のＡＣストレス条件、およびそれに続く低温試験条件として、別の系列を特性化することができる。図４に示される別の事例において、系列は、比較的低い温度における抵抗変化ΔＲの中間的な特性化を有する熱サイクル・ストレス条件として特性化される。さらに別の事例として、図５に示されるように、系列は、温度依存性デバイス特性の全般的なインライン・デバイス特性化として特性化され、ここで、ＤＵＴの温度の関数としての駆動電流Ｉｏｎ（Ｔ）の測定が行われる。
【００１８】
図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、インライン試験手順を実施するための構造６０または装置が示される。構造６０において、ＤＵＴ６１（すなわち、デバイスＡ）が、拡散抵抗器または何らかの他の適切なデバイスのような局部加熱器６２に取り囲まれており、加熱効率を向上させるために断熱材６３によって封入されている。断熱材６３はたとえば、シャロー・トレンチ・アイソレーション（ｓｈａｌｌｏｗ‐ｔｒｅｎｃｈ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ、ＳＴＩ）、ＤＵＴ６１の周囲に画定される空隙、もしくは、シリコン・オン・インシュレータ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、ＳＯＩ）技術における、ＤＵＴ６１の底面に位置決めされる埋め込み酸化物（ｂｕｒｉｅｄ  ｏｘｉｄｅ、ＢＯＸ）、またはそれらの組み合わせであってもよい。対象領域の内部の温度を監視するために、局部加熱器６２内でＤＵＴ６１に近接または隣接して、抵抗器、金属線、ダイオードまたは何らかの他の適切なデバイスのような温度感知ユニット６４を追加することができる。ドレイン電流の変化、抵抗の変化または駆動電流の変化のような、ＤＵＴ６１の他の特性を、ＤＵＴ６１に接続されるプロービング・パッドを通じて外部試験装置によって測定してもよい。図６Ｂに示されるように、プロービング・ユニット６７は、ＤＵＴ６１の試験を実行するための外部試験装置に接続するために、ＤＵＴ６１に近接して配置される。
【００１９】
図７に示されるように、図６Ａおよび図６Ｂの構造を使用してインライン試験を実行する方法は、操作７００においてチャック温度Ｔを設定することを含むことができる。次に、変数Ｎが１に設定され（操作７１０）、局部加熱器６２によって局部温度が調整され（操作７２０）、局部温度が温度感知ユニット６４によってチェックされる（動作７３０）。局部温度が事前定義のパラメータ内にないと判断される場合（操作７４０）、制御は第１のループ７４１を経由して操作７２０に戻る。他方、操作７４０において局部温度が事前定義のパラメータ内にあると判断される場合、ＤＵＴ６１に対してＮ回目のストレス試験のためのバイアスがかけられる（操作７５０）。次いで、ドレイン電流、抵抗および駆動電流のようなデバイス・パラメータが時刻ｔ（Ｎ）において測定される（操作７６０）。次いで、変数ＮがＮ＋１に設定され（操作７７０）、制御はループ７７１に沿って操作７１０に戻る。
【００２０】
図８を参照すると、温度依存性デバイス特性の特性化におけるインライン試験の感度をさらに向上させるために、測定全体を通じてチャック温度のままである、加熱領域の外側に基準ＤＵＴ６５（すなわち、デバイスＢ）を追加することができる。ＭＯＳＦＥＴのドレイン、抵抗器のアノード等のような、ＤＵＴ６１からの試験ノード、および基準ＤＵＴ６５からの試験ノードが差動増幅器６６に引き込まれ、ＤＵＴ６１と基準ＤＵＴ６５との間の差分が求められる。したがって、温度依存性デバイス特性を、比較的向上した精度で、基準ＤＵＴ６５と相対させて特性化することができる。図６Ａに示されるように、基準ＤＵＴ６５は断熱材６３内に含まれることができ、差動増幅器６６を用いることなくＤＵＴ６１の測定と相対させた比較測定のために使用することができる。
【００２１】
図９に示されるように、図８の構造を使用してインライン試験を実行する方法は、操作９００においてチャック温度Ｔを設定することを含むことができる。次に、変数Ｎが１に設定され（操作９１０）、局部加熱器６２によって局部温度が調整され（操作９２０）、局部温度が温度感知ユニット６４によってチェックされる（動作９３０）。局部温度が事前定義のパラメータ内にないと判断される場合（操作９４０）、制御は第１のループ９４１を経由して操作９２０に戻る。他方、操作９４０において局部温度が事前定義のパラメータ内にあると判断される場合、ＤＵＴ６１および基準ＤＵＴ６５に対してＮ回目のストレス試験のためのバイアスがかけられる（操作９５０）。次いで、ドレイン電流、抵抗および駆動電流のような、ＤＵＴ６１および基準ＤＵＴ６５のデバイス・パラメータが時刻ｔ（Ｎ）において測定され（操作９６０）、測定値が比較される（操作９６５）。次いで、変数ＮがＮ＋１に設定され（操作９７０）、制御はループ９７１に沿って操作９１０に戻る。
【００２２】
例示的な実施形態を参照して本開示を説明してきたが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、均等物をその要素に代替することができることが、当業者には理解されよう。加えて、本開示の教示に対し、その本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況または材料に適合させるために、多くの改変を行うことができる。したがって、本開示は、本開示を実施するために考慮される最良の形態として開示される特定の例示的な実施形態には限定されず、本開示は、添付の特許請求の範囲内に入るすべての実施形態を含むことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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