高k柵介質(zhì)中電荷俘獲行為的脈沖特征分析

       本文介紹了電荷俘獲的原理以及直流特征分析技術(shù)對俘獲電荷進(jìn)行定量分析的局限性。接下來(lái)，本文介紹了一種超快的脈沖I-V分析技術(shù)，能夠對具有快速瞬態(tài)充電效應（FTCE）的高k柵晶體管的本征（無(wú)俘獲）性能進(jìn)行特征分析。

先進(jìn)CMOS器件高k柵技術(shù)的進(jìn)展

       近年來(lái)，高介電常數（高k）材料，例如鉿氧化物（HfO2）、鋯氧化物（ZrO2）、氧化鋁（Al2O3）以及它們的硅酸鹽由于能夠用作先進(jìn)CMOS工藝的柵介質(zhì)材料而受到人們的廣泛關(guān)注[1]。在高介電常數下，在實(shí)現相同大小電容的情況下，柵介質(zhì)可以做得比SiO2更厚。最終可以使漏電流降低幾個(gè)數量級。但是，其中仍然存在很多技術(shù)挑戰需要克服，例如Vt不穩定性[2-4]，載流子溝道遷移率下降[5-9]，長(cháng)期器件可靠性[10-13]等問(wèn)題。

       妨礙高k柵實(shí)現的一個(gè)重要問(wèn)題就是俘獲電荷到這些介質(zhì)內部已有的陷阱中[14-15]。當晶體管開(kāi)啟時(shí)，某些溝道載流子將在垂直電場(chǎng)的作用下累積到柵介質(zhì)中，導致閾值電壓發(fā)生偏移，漏極電流減小。徹底掌握電荷俘獲過(guò)程和有關(guān)機理是理解溝道遷移率下降和器件可靠性問(wèn)題的關(guān)鍵。但是，傳統的直流測試技術(shù)無(wú)法對這些機理進(jìn)行準確的特征分析。

直流特征分析技術(shù)的局限性

       隨著(zhù)電荷被俘獲進(jìn)入柵介質(zhì)，晶體管的閾值電壓將會(huì )由于柵電容內部電壓的存在而增大；因此，漏極電流將會(huì )減小。表面上看來(lái)，電荷俘獲和去俘獲的時(shí)間強烈依賴(lài)于柵疊層的組成，即界面SiO2層和高k薄膜的物理厚度，以及工藝技術(shù)[16-18]。這一時(shí)間范圍從幾微秒到幾十毫秒不等[19]。電荷的去俘獲也與柵電壓和極性緊密相關(guān)。電荷俘獲具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，電壓與俘獲和去俘獲相關(guān)，這些因素使得我們很難通過(guò)一種特征分析技術(shù)（尤其是直流技術(shù)）完整地剖析柵介質(zhì)的內部結構。例如，常規方法在直流Vgs-Id或者高頻C-V測量過(guò)程中采用雙掃描的方式。這些技術(shù)反反復復加載傾斜的柵電壓，同時(shí)測量漏極電流或者柵電容。如果得到的I-V或者C-V曲線(xiàn)上出現了磁滯現象，那么顯然表明柵疊層內部存在著(zhù)電荷俘獲。

       這種方法的問(wèn)題在于磁滯的大小與測量時(shí)間密切相關(guān)。直流I-V測試過(guò)程中測得的磁滯與C-V測試中的磁滯是不同的，因為二者的測量時(shí)間可能相差很大。通過(guò)不同速度的雙掃描C-V測量即可說(shuō)明這一點(diǎn)（如圖1所示）。測試速度與儀器密切相關(guān)，是不易控制的。即使能夠控制測試速度，也沒(méi)有一種模型能夠定量地說(shuō)明在測試過(guò)程中柵介質(zhì)中真正俘獲了多少電荷；也就是說(shuō)，磁滯無(wú)法對俘獲的電荷數量進(jìn)行量化，因為很大一部分快速瞬態(tài)俘獲可能在直流測量過(guò)程中喪失了。

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