【測試案例分享】 如何評估熱載流子引導(dǎo)的MOSFET衰退

隨著MOSFET柵極長度的減小，熱載流子誘發(fā)的退化已成為重要的可靠性問題之一。在熱載流子效應(yīng)中，載流子被通道電場加速并被困在氧化物中。這些被捕獲的電荷會引起測量器件參數(shù)的時間相關(guān)位移，例如閾值電壓 (V_TH)、跨導(dǎo) (G_M)以及線性 (I_DLIN) 和飽和 (I_DSAT) 漏極電流。隨著時間的推移，可能會發(fā)生實(shí)質(zhì)性的器件參數(shù)退化，從而導(dǎo)致器件失效。用于測量HCI的儀器必須提供以下三個關(guān)鍵功能：

■ 自動提取設(shè)備參數(shù)

■ 創(chuàng)建具有各種應(yīng)力時間的應(yīng)力測量序列

■ 輕松導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)進(jìn)行高級分析

本文說明描述了如何在Keithley 4200-SCS（半導(dǎo)體表征系統(tǒng)）中使用這些關(guān)鍵功能來執(zhí)行熱載流子退化測試。

圖1. 漏極雪崩熱載體效應(yīng)

1 MOSFET熱載流子效應(yīng)及器件性能監(jiān)測

今天的超大規(guī)模集成電路MOSFET器件具有極短的通道長度和高電場。在這些高電場中，載流子被加速到高速，在器件漏極附近達(dá)到最大動能（熱）。如果載流子能量足夠高，就會發(fā)生撞擊電離（漏極雪崩熱載流子效應(yīng)），產(chǎn)生電子-空穴對（圖1）。這些空穴和電子可以獲得足夠的能量來超越Si-SiO₂勢壘并被困在柵極氧化物中。被捕獲的電荷導(dǎo)致器件退化和襯底電流（I_SUB）增強(qiáng)。

載流子器件測試時間通常非常長，因此第一步是確定一組優(yōu)化的應(yīng)力條件。然后，選擇一種新的器件，并確定 V_TH 、G_M 、i、i_DLIN等初始器件參數(shù)。然后在指定的應(yīng)力區(qū)間內(nèi)施加優(yōu)化后的應(yīng)力。在每個應(yīng)力區(qū)間之后，再次進(jìn)行參數(shù)測量并確定退化情況。此測試應(yīng)力循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，直到滿足目標(biāo)退化或測試時間標(biāo)準(zhǔn)。熱載流子壽命由退化與應(yīng)力時間數(shù)據(jù)確定。

2 使用Keithley 4200測試熱載波壽命

在熱載流子測試開始之前，必須建立漏極和柵極應(yīng)力偏置電壓。以確保通道熱的真實(shí)性載波條件下，推薦的最大漏極應(yīng)力偏置電壓小于器件漏源擊穿電壓的90%。

在給定漏極應(yīng)力偏置電壓下，柵極應(yīng)力偏置 （VGstress）的選擇應(yīng)使熱載流子衰退最大化。對于NMOS器件，這通常發(fā)生在使襯底或體電流（I_SUB）最大化的柵極偏置 (V_GATE) 處。圖2代表了典型的 4200-SCS I_SUB vs. V_GATE數(shù)據(jù)。在這種情況下，最優(yōu)的VGstress是1.821V。

圖2. 定義VGstress的典型4200-SCS  I_SUB數(shù)據(jù)

熱載流子監(jiān)測參數(shù)包括 V_TH、G_M、I_DLIN和飽和I_DSAT。這些參數(shù)在應(yīng)力前初步確定，并在每次累積應(yīng)力時重新確定。I_DLIN是器件偏置在線性區(qū)域時測量到的漏極電流，而 I_DSAT是器件偏置在飽和區(qū)域時測量到的漏極電流。V_TH與G_M可以用恒流法或外推法確定。在外推法中，由 V_TH的最大斜率確定 I_DS Vs. V_GS曲線。

4200-SCS的公式編輯器大大簡化了這些參數(shù)的提取。其內(nèi)置的函數(shù)包括 : 用于獲取 G_M的微分函數(shù)，用于獲取最大G_M的MAX函數(shù)（gnext），以及用于提取 V_TH的最小二乘線擬合函數(shù)（Vtext）。圖3展示了 Formulator 的自動數(shù)據(jù)分析能力。

測量完器件參數(shù)后，在漏極和柵極應(yīng)力偏置條件下對器件施加規(guī)定時間的應(yīng)力。累積應(yīng)力時間通常是對數(shù)的，例如10、30、100、300、1000等。在每個累積應(yīng)力時間，再次測量并記錄器件參數(shù)。

圖3. 典型的4200-SCS V_TH 和G_M 測量結(jié)果

3 結(jié)束語

4200-SCS的內(nèi)置測試測序器和交互式測試模塊 （ITM）功能大大簡化了熱載波測試程序的實(shí)施。圖5描繪了“項(xiàng)目導(dǎo)航器”窗口中的熱載壓力測試序列和熱載壓力測試模塊（hcistres10）定義標(biāo)簽頁。項(xiàng)目導(dǎo)航窗口顯示了測試序列，該序列首先對idlin、idsat和 vtlin（Thevtlin模塊提取參數(shù)（Vtext和gnext）。hcistres10測試在指定的漏極和柵極應(yīng)力電壓下施加 10 秒應(yīng)力。應(yīng)力完成后，再次測量器件參數(shù)。此應(yīng)力測量序列持續(xù)進(jìn)行，直到超過規(guī)定的最大應(yīng)力時間。

圖4. 熱載體項(xiàng)目測試序列和hcistress10測試

hcistres10測試定義選項(xiàng)卡用于指定應(yīng)力電壓和應(yīng)力時間。在本例中，柵極和漏極應(yīng)力條件分別指定為2.2V和5.5V。在時序?qū)υ捒颍ㄎ达@示）中指定應(yīng)力時間，使用時序命令按鈕激活（見圖4）。在時序?qū)υ捒蛑?，hcistreses10測試被設(shè)置為采樣模式，間隔為1秒，采樣次數(shù)為10次。這將提供一個10秒的應(yīng)力，要獲得更長的應(yīng)力時間，只需增加樣本數(shù)量或采樣間隔。

當(dāng)繪制在對數(shù) - 對數(shù)圖上時，n通道熱載流子退化與時間數(shù)據(jù)通常表現(xiàn)為線性行為。最小二乘擬合回歸分析用于內(nèi)插或外推熱載流子時間到目標(biāo)壽命。待測器件的壽命（lifetime）被定義為特征參數(shù)退化量10％，或者V_TH相較于初始化狀態(tài)變化50mv。

圖5. 在 Microsoft Excel中分析的4200-SCS熱載流子線性漏極電流退化數(shù)據(jù)

結(jié)論

4200-SCS大大簡化了熱載流子誘導(dǎo)衰退測定。內(nèi)置的4200-SCS軟件工具，如Project Navigator, Formulator，以及完全兼容的Excel數(shù)據(jù)格式，提供了靈活、快速、易于使用的測試環(huán)境。此外，4200-SCS將這些工具與先進(jìn)的源測量單元技術(shù)，為具有挑戰(zhàn)性的設(shè)備可靠性和特性要求創(chuàng)造理想的測試環(huán)境。

（注：本文登于《EEPW》2024年10期）